Experiment ontdekt dat zwaartekracht nog steeds werkt tot 50 micrometer

Zwaartekracht is de zwakste van de fundamentele krachten, maar het is de enige kracht die over zeer lange afstanden werkt. Vandaar dat planeten om sterren draaien, sterren sterrenstelsels vormen en sterrenstelsels clusteren. Zwaartekracht werkt ook op de kleinste schaal, maar zijn zwakte maakt het erg moeilijk om zijn invloed te detecteren. Het is echter het proberen waard, aangezien schendingen van de wetten van de zwaartekracht op zeer kleine schaal een goed bewijs zouden zijn voor New Physics鈩? Dus natuurkundigen hebben gezocht, maar tot nu toe zonder veel geluk.

De kracht als gevolg van de zwaartekracht neemt af met het kwadraat van de afstand. Als je de afstand verdubbelt, wordt de kracht niet gehalveerd maar teruggebracht tot een kwart van de oorspronkelijke waarde. Deze wet, een inverse-kwadraatwet genoemd, is puur gebaseerd op geometrie: we leven in drie ruimtelijke dimensies, en daarom geldt de inverse-kwadraatwet. Als het universum echter meer dan drie ruimtelijke dimensies heeft, zou de inverse-kwadraatwet breken.

We weten dat over lange afstanden – de aarde tot de maan en de afstanden tussen de sterren – de omgekeerde kwadratenwet lijkt te kloppen. Op galactische en kosmologische schalen geldt ook de inverse-kwadraatwet, met het voorbehoud dat donkere materie en donkere energie vereist zijn. Je zou kunnen denken dat wat we donkere materie of donkere energie noemen een potentieel bewijs zou zijn van extra dimensies, maar zo eenvoudig is het niet. Op deze schalen zou de verborgen dimensie zowel groot moeten zijn als iets anders, zoals fotonen, niet kunnen beïnvloeden. Omdat we ook consistentie nodig hebben en grote verborgen dimensies die op dit moment niet lijken te bieden, zijn we beperkt tot kleine verborgen dimensies en veranderingen in de zwaartekracht op zeer kleine schaal.

Op zeer kleine schaal – in het laboratorium – is het veel moeilijker om te controleren of de zwaartekracht voldoet aan de wet van het omgekeerde kwadraat. De zwaartekracht is zo zwak dat verdwaalde elektrische velden (bijvoorbeeld van de elektrische leidingen in de muur) elk signaal zullen overweldigen.

Om kleinschalige zwaartekrachtmetingen te doen, vertrouwen onderzoekers op conceptueel eenvoudige experimenten: meet de veranderingen in rotatiesnelheid van een oscillerende schijf die onderhevig is aan een periodiek veranderende zwaartekracht. De periodieke kracht wordt geleverd door een draaiende schijf. Beide schijven hebben wiggen die zijn uitgesneden zodat de zwaartekracht varieert als de gaten langs elkaar draaien. De twee schijven zijn recht op elkaar geplaatst. De ene is bevestigd aan een dunne kabel en wordt in beweging gebracht door de kabel te draaien, terwijl de andere met een constant toerental draait.

Terwijl de oscillerende schijf van draairichting verandert, is deze nog steeds onderhevig aan een periodiek koppel van de roterende schijf. Deze koppelveranderingen zijn zeer periodiek en kunnen zeer nauwkeurig worden gemeten. Het wigvormige schijfontwerp geeft een set van drie rotatiefrequenties, zodat de instrumentatiefouten kunnen worden uitgefilterd door veranderingen te onderzoeken die alle drie de frequenties gemeen hebben.

De onderzoekers hebben het afgelopen decennium verschillende iteraties doorlopen om hun gevoeligheid langzaam te verbeteren. Hun experiment elimineert – voor zover mogelijk – alle krachten als gevolg van elektrische en magnetische velden. De onderzoekers hebben een set van drie testmassa’s die bovenop het experiment zitten, zodat ze hun analyse kunnen kalibreren tegen een groter signaal.

De grootste verbetering zat echter in de analyse. Om de kracht van de zwaartekracht te extraheren, is zorgvuldige modellering vereist. De onderzoekers veranderden het ontwerp van het patroon dat uit de testmassa was gesneden, zodat analytische oplossingen voor het model beschikbaar waren voor de betrokken koppels. Dit elimineerde veel van de onzekerheden als gevolg van computermodellering.

Deze en vele andere experimentele verfijningen hebben hen in staat gesteld de zwaartekracht te meten tot op een afstand van slechts 52 m. Zodra ze extra stabilisatie tegen trillingen toevoegen, kunnen ze meten op nog kleinere afstanden. In de tussentijd hebben ze geverifieerd dat de inverse-kwadraatwet geldt voor afstanden korter dan 50 m, en daarom hebben we geen nieuwe fysica?

Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101101 (Over DOI’s)

By Admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *