Een kleine magneet zou de zwaartekracht op kwantumschaal kunnen helpen meten

Een apparaat dat de zwaartekracht kan meten op een deeltje dat minder weegt dan een stuifmeelkorrel, zou ons kunnen helpen begrijpen hoe de zwaartekracht werkt in de kwantumwereld.

Ondanks dat je aan de grond vastzit, is de zwaartekracht de zwakste kracht die we kennen. Alleen zeer grote objecten, zoals planeten en sterren, produceren voldoende zwaartekracht om gemakkelijk te kunnen meten. Hetzelfde doen voor zeer kleine objecten, op kleine afstanden en massa’s in het kwantumrijk, is buitengewoon moeilijk, deels vanwege de kleine omvang van de kracht, maar ook omdat grotere nabijgelegen objecten het signaal kunnen overweldigen.

Nu hebben Hendrik Ulbricht van de Universiteit van Southampton in Groot-Brittannië en zijn collega’s een nieuwe manier ontwikkeld om de zwaartekracht op kleine schaal te meten door gebruik te maken van een kleine neodymiummagneet van ongeveer 0,5 milligram, die door een magnetisch veld wordt laten zweven om de zwaartekracht van de aarde tegen te gaan.

Kleine veranderingen in het magnetische veld van de magneet, veroorzaakt door de zwaartekrachtinvloed van nabijgelegen objecten, kunnen vervolgens worden omgezet in een maatstaf voor de zwaartekracht. Het geheel wordt tot bijna het absolute nulpunt gekoeld en in een veersysteem opgehangen om externe krachten te minimaliseren.

De sonde kan de zwaartekracht meten van objecten die slechts enkele microgrammen wegen. “Je kunt de gevoeligheid vergroten en zwaartekrachtonderzoek naar een nieuw regime duwen”, zegt Ulbricht.

Hij en zijn team ontdekten dat ze, met een testmassa van 1 kilogram die dichtbij ronddraaide, een kracht op een deeltje van 30 attonnewt konden meten. Een attonnewt is een miljardste van een newton. Eén beperking is dat de testmassa met voldoende snelheid moet bewegen om zwaartekrachtresonantie met de magneet te creëren, anders zal de kracht niet sterk genoeg zijn om deze op te pikken.

De volgende fase van het experiment zal zijn om de testmassa te verkleinen tot een vergelijkbare grootte als een magnetisch deeltje, zodat de zwaartekracht kan worden getest terwijl de deeltjes kwantumeffecten vertonen, zoals verstrengeling of superpositie. Dat zal moeilijk worden, zegt Ulbricht, omdat zulke kleine massa’s vereisen dat alle andere delen van het experiment ongelooflijk nauwkeurig zijn, zoals de exacte afstand tussen twee deeltjes. Het kan minstens tien jaar duren om dit stadium te bereiken.

“Het feit dat ze deze meting zelfs maar hebben geprobeerd, vind ik verbazingwekkend”, zegt Julian Stirling, een in Groot-Brittannië gevestigde ingenieur, vanwege de moeilijkheid om andere zwaartekrachtseffecten te isoleren van de massa van hun sonde. Onderzoekers zullen moeten uitzoeken hoe ze de zwaartekrachtinvloed van het antivibratiesysteem kunnen minimaliseren, zegt Stirling, omdat het in dit experiment een klein maar merkbaar effect lijkt te hebben gehad op het zwevende deeltje.