Natuurkundigen bedenken draagbare detector voor zwaartekrachtgolven
Idee van RUG-natuurkundigen:
Draagbare detector voor zwaartekrachtgolven
Door Christien Boomsma
By Christien Boomsma
Christien Boomsma
Christien is sinds 2016 achtergrondcoördinator bij UKrant. Ze plant de achtergrondverhalen en begeleidt de auteurs. Bij haar eigen verhalen ligt de focus op wetenschap en academisch leven. Daarnaast schrijft ze veel over onderwerpen als sociale veiligheid en maakt ze graag persoonlijke interviews. In haar vrije tijd schrijft ze jeugdboeken en geeft schrijftrainingen.Het is nog maar vijf jaar geleden dat de detectoren van LIGO de allereerste zwaartekrachtgolf maten; een prestatie die de bouwers meteen een Nobelprijs opleverde. Want zwaartekrachtgolven – rimpels in de ruimte die door het heelal trekken als golven in een vijver – maken het mogelijk om metingen in het heelal te doen, die nooit eerder mogelijk waren. Een nieuwe set van ‘ogen en oren’.
Maar de huidige detectoren zijn wel vier kilometer lang. Dat is nodig, want ze meten de zwaartekrachtgolven door een laser af te vuren op spiegels in de armen. Wanneer een zwaartekrachtgolf langs trekt, doet de ene laser daar net iets langer over dan de andere.
Draagbaar
Volgens de Groningse wetenschappers Steven Hoekstra en Anupam Mazumdar, en vakgenoten van het Britse UCL, kan het echter ook anders. In een artikel dat binnenkort verschijnt in de New Journal of Physics stellen ze voor een ‘draagbare’ detector te bouwen.
‘Zo’n detector zou veel lagere frequenties kunnen meten dan de huidige detectoren’, zegt Hoekstra. ‘Hij is in dat gebied veel gevoeliger. Bovendien kun je er een heel netwerk van detectoren mee opzetten, omdat hij veel kleiner is.’
Voor de metingen willen ze een piepklein diamantje gebruiken – denk aan een massa van 10 tot de macht -17 kilogram – dat ze in een ‘kwantumsuperpositie’ brengen. Dat kan doordat het diamantje een ingebouwde oneffenheid heeft: één enkel stikstofatoom tussen al de koolstofatomen.
Vervolgens kun je dat diamantje beschieten met fotonen – licht dus. Dan krijg je een bizarre situatie die hoort bij de kwantummechanica. Het foton wordt tegelijk wel en níet geabsorbeerd door het elektron van het stikstofatoom. Er ontstaat dan een superpositie van twee deeltjes: het ene gevoelig voor een magnetisch veld, het andere niet.
Zwaartekrachtgolf
‘En die deeltjes kunnen we vervolgens door een magnetisch veld ongeveer een meter uit elkaar trekken’, legt Hoekstra uit. ‘Als we dat veld vervolgens weer omkeren, komen de deeltjes weer bij elkaar.’
Maar – en daar komt het – als er een zwaartekrachtgolf voorbij is gekomen en de wereld daardoor op de ene plek een beetje samenkrimpt, en op de andere een beetje uitzet, dan doet de ene daar net wat langer over dan de andere, waardoor ze een verschillend golfpatroon hebben. En dat kun je meten.
In theorie, vult Hoekstra nadrukkelijk aan. Een dergelijk experiment zoekt immers de absolute grens op tussen de kwantummechanica en de ‘echte wereld’. ‘Het in superpositie brengen – en lang genoeg in die toestand houden – van zo’n diamantje is supermoeilijk’, zegt Hoekstra.
Deels omdat het ultragevoelig is, want zelfs licht of de warmtestraling van een object op kamertemperatuur zou de metingen al verstoren. En deels omdat het zo groot is – voor een experimenteel natuurkundige, dan, die gewend is aan het werken met atomen. Het moet daarnaast niet slechts één keer goed gaan, maar aan de lopende band. Het experiment bestaat immers uit het voortdurend ‘beschieten’ van andere diamantjes.
Supermoeilijk
Een stabiel magneetveld creëren is een volgende uitdaging. En dan moeten de diamantjes ook nog heel precies dezelfde massa hebben.
Maar, zegt Hoekstra, het kan wel. ‘Dat is het mooie van dit idee, waarbij experimenteel natuurkundigen samenwerken met theoretici zoals Mazumdar’, zegt hij.
‘Het is enorm moeilijk en het zal zeker tientallen jaren duren voor je zover bent, maar we zien op dit moment geen reden waarom het uiteindelijk niet zou kunnen werken.’