[논문 리뷰] On the possibility of testing the inverse-square law and gravitomagnetism using quantum interference

Fayçal Hammad, Alexandre Landry외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 28.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 짧은 거리에서 중력의 역제곱법칙을 시험하고 양자 스핀과의 중력자기적 상호작용을 탐구하기 위해 테이블탑 양자 간섭 실험을 제안한다. 물질파 간섭계에서 중력에 의해 유도된 조화 진동자에 기반하여, 뉴턴의 중력에서의 이탈과 스핀-중력 결합을 민감하게 감지할 수 있으며, 실험실 조건에서 양자 중력 효과를 탐색하는 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

We examine a simple tabletop experimental setup for probing the inverse-square law of gravity and detecting eventual deviations therefrom. The nature of the setup allows indeed to effectively reach for shorter distances compared to what is allowed by other methods. Furthermore, we show that the same setup could also in principle be used to probe the interaction between gravitomagnetism and the intrinsic angular spin of quantum particles. Moreover, we show that the setup allows to have a gravitationally induced harmonic oscillator, introducing thus the possibility of studying in a novel way the interaction between gravity and quantum particles.

연구 동기 및 목표

• 미리밀리미터 이하 척도에서 중력의 역제곱법칙을 시험할 수 있는 실현 가능한 테이블탑 실험을 개발하기 위해.
• 양자 간섭 기술을 활용하여 뉴턴의 중력에서의 이탈 가능성을 조사하기 위해.
• 중력자기장과 양자 입자의 스핀 간 상호작용을 탐구하기 위해.
• 양자 시스템에서 중력에 의해 유도된 조화 진동자를 실현하여 중력-양자 결합의 새로운 연구를 위해.

제안 방법

• 중력이 주기적 위치 에너지로 작용하여 양자 입자를 위한 조화 진동자를 만드는 물질파 간섭계를 설계하기 위해.
• 초저온 원자나 중성자를 제어된 함정에 넣어 중력력에 민감한 양자 중첩 상태를 실현하기 위해.
• 단거리 중력 이탈에 대한 민감도를 향상시키기 위해 간섭계 기하구조를 최적화하기 위해.
• 양자 간섭 측정을 적용하여 중력에 의해 유도된 위상 이동, 특히 중력자기 기여를 감지하기 위해.
• 시스템의 보존성과 조절 가능성을 활용하여 효과적인 중력 위치 에너지를 시뮬레이션하거나 탐색하기 위해.
• 기존의 거대한 중력 실험보다 더 짧은 효과적 거리에 도달할 수 있는 설정의 능력을 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테이블탑 양자 간섭 실험은 짧은 거리에서 중력의 역제곱법칙 이탈을 감지할 수 있는가?
• RQ2 이 설정을 통해 중력자기장과 양자 입자의 고유 스핀 간의 결합을 관찰할 수 있는가?
• RQ3 정밀한 시험을 위해 양자 시스템에서 중력에 의해 유도된 조화 진동자를 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 기존 방법과 비교해 이 설정이 단거리 중력력에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ5 동일한 장치로 뉴턴의 중력 이탈과 스핀-중력 상호작용을 동시에 탐구할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 설정은 기존의 거대한 실험보다 더 짧은 거리에서 중력을 효과적으로 탐색할 수 있다.
• 시스템은 중력에 의해 유도된 조화 진동자를 실현하여 중력-양자 상호작용을 연구하는 새로운 플랫폼을 제공한다.
• 이 설정에서의 양자 간섭은 역제곱법칙에서의 이탈에 대해 높은 민감도를 보인다.
• 동일한 구성은 원칙적으로 중력자기장과 양자 스핀 간의 상호작용을 감지할 수 있다.
• 이 방법은 실험실 조건에서 양자 수준의 중력의 기본적 특성을 시험하는 데 있어 새로운 테이블탑 접근법을 제공한다.
• 이 구성은 단거리 중력과 스핀-중력 결합을 포함한 여러 양자 중력 효과를 동시에 탐색할 수 있다.