Deze beelden geven de vorming weer van een Bose-Einstein condensaat in een prototype van het CAL. NASA/JPL-Caltech

NASA opent "koudste en coolste lab" in ISS om kwantumfenomenen te bestuderen

Natuurkundigen krijgen binnenkort hun eigen speeltuin in de ruimte, waar ze zullen kunnen spelen met kwantumfenomenen als nooit tevoren. De NASA heeft vannacht het Cold Atom Laboratory (CAL) gelanceerd naar het International Space Station, en dat lab moet de koudste plaats in het bekende universum worden. Die extreme koude zal het onderzoekers mogelijk maken om kwantumfenomenen te bestuderen die op aarde onmogelijk waargenomen kunnen worden. 

De missie kost zo'n 83 miljoen dollar (69,6 miljoen euro), en zal gebruikt worden om kwantumfenomenen op een macroscopische schaal te bestuderen. Dat zal gebeuren door een bose-einsteincondensaat (BEC) te maken, een wolk van honderdduizenden atomen die, als ze gekoeld worden tot net boven het absolute nulpunt, zich gedragen als golven die samenvallen tot een enkel kwantumobject. 

"Alleen al in staat zijn om deze experimenten uit te voeren in de ruimte, is volgens mij een enorme verwezenlijking", zo zei Kamal Oudrhiri aan het wetenschappelijke tijdschrift "Nature". Oudrhiri is de manager van de CAL-missie aan het Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, California. 

Op aarde verstrooit de zwaartekracht dergelijke condensaten binnen een paar seconden, en het dichtst dat BEC's ooit geraakt zijn bij omstandigheden die lijken op die in de ruimte, is tijdens een kort verblijf in een onderzoeksraket, of tijdens een val van een valtoren gedurende 9 seconden. 

Zwevend in het ruimtestation zouden de condensaten in staat moeten zijn om minstens 10 seconden te blijven bestaan, en dat is lang genoeg om afgekoeld te worden tot een record lage temperatuur, mogelijk slechts 20 biljoenste van een graad boven het absolute nulpunt,  - 273,15 graden Celsius. Dat zou de laagste temperatuur zijn die we kennen in het universum, zei Oudrhiri. 

Koudere condensaten die langer blijven bestaan, zullen "de grenzen terugdringen van de studie van fundamentele fysica", zei Gretchen Campbell aan "Nature". "Het is iets waar mensen al bijna 15 jaar lang op gehoopt hebben." Campbell is een atomaire natuurkundige aan het US National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, in de staat Maryland. 

Het Cold Atom Laboratory is een instrument dat verschillende onderzoekers zullen gebruiken om ultra-koude kwantumgassen te bestuderen in de micro-zwaartekracht van het ISS. NASA/JPL

Een compacte installatie

Plaats op het ruimtestation is kostbaar, en dus moesten de ingenieurs apparatuur voor onderzoek in atomaire fysica, die normaal gezien een grote kamer in beslag neemt, samendrukken tot ze paste in een kist ter grootte van een koelbox. 

De apparatuur zal rubidium- en kaliumatomen afkoelen door laserlicht in alle richtingen van de deeltjes te laten verstrooien, zodat ze vertragen tot ze bijna stil staan. Hoe minder atomen of moleculen bewegen, hoe kouder ze immers zijn. Vervolgens zullen magneten gebruikt worden om de wolk atomen te vangen. Om een condensaat te creëren, worden dan andere afkoelingstechnieken gebruikt om de wolk nog dichter naar het absolute nulpunt te duwen, onder meer het afschuimen van de atomen met de meeste energie met een "mes" van radiogolven, en het groter maken van de "val" waarin de wolk gevangen zit, zodat de wolk kan uitdijen. 

De ingenieurs moesten ook schilden ontwerpen om de delicate condensaten te beschermen tegen interferentie van de dicht opeengepakte componenten van CAL, en tegen het variërende magnetische veld van de aarde. En hoewel astronauten de apparatuur zullen uitpakken en installeren, zullen de experimenten alleen maar lopen als het astronautenteam slaapt, om verstoring door beweging in het ISS te vermijden of te minimaliseren. 

Een voorstelling van een wolk atomen in de magneto-optische val en atoomchip die de NASA zal gebruiken in het CAL. Lasers (rood) bestoken de atomen die gevangen worden door magnetische velden die opgewekt worden door de ringen. (NASA/JPL)

Eenvoudige versie na een lek

De technologie die nu gebruikt zal worden is eenvoudiger dan oorspronkelijk de bedoeling was. In een meer complexe versie van het laboratorium was een lek ontstaan dat de vacuümkamer aantastte, en dat dreigde vertraging te veroorzaken. 

In de meer eenvoudige versie zullen de natuurkundigen niet in staat zijn om hun ultieme doel te bereiken, namelijk in de ruimte atoom-interferometrie uitvoeren, een proces waarbij de kwantumgolf van het condensaat in tweeën gesplitst wordt, waarna de twee golven gerecombineerd worden. De interferentiepatronen die daar het resultaat van zouden zijn, zouden onderzoekers toelaten om de effecten van zwaartekracht te analyseren met een ongeziene precisie, en te testen of condensaten gebruikt zouden kunnen worden als zeer gevoelige sensoren voor rotatie en zwaartekracht.

De meer geavanceerde apparatuur die oorspronkelijk gepland was, zou tegen het einde van 2019 moeten aankomen in het ISS, zo zei Robert Thompson, een onderzoeker bij het project aan het JPL, aan "Nature".   

Een schematische weergave van de achterkant van het CAL. EXPRESS (EXpedite the PRocessing of Experiments for Space Station) zijn de rekken waarin de wetenschappelijke experimenten voor het ISS ingebouwd worden. (Illustratie: NASA/JPL-Caltech)

Bellen, draaikolken en ringen

Ook de huidige opstelling van het experiment zal nog onderzoek toelaten naar nieuwe fysica, zei Thompson. Vijf teams staan klaar om experimenten uit te voeren in het CAL.

Een daarvan is van plan om radiogolven en magnetische velden te gebruiken om het condensaat te vangen in een belletje met een doormeter van zo'n 30 micrometer - zowat de helft van een menselijk haar.

Uit de kwantummechanica valt af te leiden dat, omdat de bel zowel dun is als geen rand heeft, het condensaat zich anders zou moeten gedragen dan wanneer het de vorm heeft van een schijf of een sfeer op aarde. Zo zal het mogelijk makkelijker draaikolken vormen die bekend staan als vortices, zei Courtney Lannert, een theoretische fysicus aan het Smith College in Northampton in Massachusetts. Op de aarde draaien pogingen om bellen te creëren altijd uit op condensaten met een komvorm, omdat de condensaten vallen. "We kunnen deze vorm helemaal niet bereiken tenzij we ons ontdoen van de zwaartekracht", zo zei ze aan "Nature". 

Een groep onder leiding van Eric Cornell van de University of Colorado, Boulder, die in 2001 een van de laureaten was van de Nobelprijs voor Fysica voor zijn aandeel in de ontdekking van bose-einsteincondensaten, zal proberen een exotisch, los gebonden systeem te creëren, dat bekend staat als een Efimov-toestand.

Die kwantumtoestanden zijn genoemd naar de Russische theoretische natuurkundige Vitaly Efimov, die hun bestaan in 1970 voorstelde. Ze duiken op waar atomen zich te zwak aan elkaar zouden binden om paren te vormen, maar wel drietallen kunnen vormen. Die gelijken op Borromeaanse ringen, drie ringen die zodanig met elkaar verbonden zijn dat het systeem uit elkaar valt, dat de ringen niet meer verbonden zijn, als om het even welke ring verwijderd wordt, en de Efimov-toestanden zijn van belang voor nucleaire fysici, omdat ze parallellen hebben met zeldzame kernen bestaande uit drie deeltjes, neutronen en protonen, waar we nog niet veel over weten.

Het team hoopt de eenvoudigste Efimov-toestand te creëren, maar ook geëxciteerde - aangeslagen -,  gezwollen versies, waarin de atomen zich aan elkaar binden, ondanks het feit dat ze de dikte van een bacterie van elkaar verwijderd zijn.  De groep zal misschien ook in staat zijn om viertallen van dergelijke atomen te maken, die bekend staan als tetrameren, zei Maren Mossman, een natuurkundige aan de Washington State University in Pullman. 

Leden van het CAL-team in 2014 met hun "aardse" testmodel, waarin bose-einsteincondensaten gecreëerd kunnen worden. (NASA/JPL-Caltech)

Buitengewoon voor atomaire natuurkundigen

Atomaire natuurkundigen - natuurkundigen die zich met fysica bezighouden op een macroscopische schaal, en niet met de kleine deeltjes-wereld van de kwantumfysici - zullen de opstelling van het experiment in het ruimtestation buitengewoon vinden voor meer praktische redenen, zo zei Mossman.

Ze zijn immers gewoon om hun eigen apparatuur te bouwen en hun experimenten te verfijnen naarmate ze vorderen. Maar nu met het CAL delen veel van dergelijke onderzoekers voor het eerst een onderzoeksfaciliteit, zo zei ze aan "Nature", en ze moeten hun experimenten laten uitvoeren door JPL-onderzoekers die de apparatuur vanaf de grond bedienen. "Mensen in de deeltjes-fysica hebben dit al sinds het begin gedaan, maar voor ons in de atomaire fysica is het vreemd."

Robert Thompson, die naar het creëren van een dergelijke onderzoeksfaciliteit heeft toe gewerkt sinds hij in 1997 bij het JPL in dienst is gekomen, denkt dat de huidige versie slechts een eerste stap is op weg naar complexere atomaire fysica-labo's in de ruimte. De NASA werkt momenteel samen met het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt om een faciliteit te bouwen die BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) zal heten, zo zei hij.

Maar ook het huidige CAL is "beter uitgevallen dan de meesten van ons verwachten", zo zei hij. "Wij zijn een van de experimenten die echt in de verf zullen zetten tot wat het ruimtestation in staat is."