Gömt djupt i en källare på Stanford står ett 10 meter högt rör, inlindad i en metallbur och draperad i trådar. En barriär skiljer den från huvudrummet, bortom vilken cylindern sträcker sig över tre våningar till en apparat som håller ultrakalla atomer redo att skjuta uppåt. Tabeller fyllda med lasrar för att skjuta mot atomerna – och analysera hur de reagerar på krafter som gravitation – fyller resten av laboratoriet.

Röret är en atominterferometer, en specialbyggd enhet designad för att studera atomernas vågnatur. Enligt kvantmekaniken, atomer existerar samtidigt som partiklar och vågor. Stanford-instrumentet representerar en modell för ett ambitiöst nytt instrument som är tio gånger så stort som skulle kunna användas för att upptäcka gravitationsvågor - små krusningar i rymdtiden skapade av energi som försvinner från rörliga astronomiska objekt. Instrumentet kan också kasta ljus över ett annat mysterium i universum:mörk materia.

Stanford experimentella fysiker Jason Hogan och Mark Kasevich hade aldrig tänkt att deras enhet skulle implementeras på detta sätt. När Hogan började sina forskarstudier i Kasevichs labb, han fokuserade istället på att testa gravitationens effekter på atomer. Men samtal med teoretisk fysiker Savas Dimopoulos, professor i fysik, och hans doktorander – ofta lockade nedför trappan av en espressomaskin placerad tvärs över hallen från Kasevichs kontor – fick dem att börja tänka på dess användbarhet som en mycket känslig detektor.

"Vi pratade bara fysik, som fysiker ofta gör, säger Kasevich, professor i fysik och tillämpad fysik vid Stanfords School of Humanities and Sciences. En sak ledde till en annan och gruppen landade på en djärv plan för att skapa en atominterferometer som kan upptäcka gravitationsvågor som ingen har sett tidigare.

Deras idé passar in i en annan våg som sveper genom fysiken, en som innebär att man samarbetar med utsökt känsliga instrument som utvecklats för andra ändamål för att svara på grundläggande frågor om naturen.

En ny detekteringsmetod

2015, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte en kort signal från en 1,3 miljarder år gammal kollision mellan två supermassiva svarta hål. Sedan dess, LIGO har katalogiserat fler gravitationsvågor som passerar genom jorden, förse astronomer med en kraftfull ny lins att studera universum med.

Gravitationsvågor är krusningar i rum-tid, ungefär som havsvågor - förutom att de förvränger rymden, inte vatten. I teorin, någon accelererande massa, oavsett om det är en viftande hand eller en planet i bana, producerar gravitationsvågor. Dessa rörelser, dock, förekommer på nivåer långt under vår förmåga att upptäcka dem. Endast gravitationsvågor från enorma astronomiska fenomen orsakar tillräckligt stora förskjutningar i rum-tid för att de kan kännas igen av sensorer på jorden.

Precis som olika frekvenser utgör det elektromagnetiska spektrumet, gravitationsvågor varierar också. LIGO och andra aktuella gravitationsvågsdetektorer känner av ett mycket smalt område - högfrekventa vågor som de från det ögonblick som två svarta hål kolliderar - men andra delar av gravitationsvågsspektrumet förblir outforskade. Och precis som astronomer kan lära sig nya saker om en stjärna genom att studera dess ultravioletta ljus kontra dess synliga ljus, att analysera data från andra gravitationsvågsfrekvenser kan hjälpa till att lösa rymdens mysterier som för närvarande är utom räckhåll, inklusive de om det tidiga universum.

"Vi identifierade en region av spektrumet som inte var väl täckt av någon annan detektor, och det råkade vara en matchning för de metoder som vi redan utvecklade, sa Hogan, en biträdande professor i fysik vid Institutionen för humaniora och naturvetenskap.

Under Hogans forskarstudier, han och hans kollegor konstruerade den 10 meter höga atominterferometern för att testa några av deras idéer. Dock, för att öka enhetens känslighet – nödvändigt för att upptäcka rum-tidsvickningar som är mindre än en protons bredd – behöver de en större detektor. Och därmed den 100-meters materiavågs atomiska gradiometerns interferometriska sensor, eller MAGIS-100, experimentet föddes.

Med hjälp av ett anslag på 9,8 miljoner dollar från Gordon and Betty Moore Foundation, forskare planerar att göra ett befintligt underjordiskt schakt vid Fermilab, ett Department of Energy National Laboratory i Illinois, MAGIS-100:s nya hem.

"Du kan hitta hål i marken, men det är lite svårt att hitta ett hål i marken med ett labb kopplat till det, sa Rob Plunkett, en senior forskare på Fermilab som är involverad i projektet.

Begreppsmässigt, MAGIS-100 kommer att fungera på samma sätt som LIGO. Båda experimenten utnyttjar ljus för att mäta avståndet mellan två testmassor, ungefär som radaravstånd. Men medan LIGO har speglar, MAGIS-100 gynnar atomer.

"Atomen visar sig vara en fantastisk testmassa för dessa ändamål, ", sa Hogan. "Vi har mycket kraftfulla tekniker för att manipulera den och låta den vara okänslig för alla bakgrundsljudkällor."

LIGOs speglar hänger på glastrådar, vilket betyder att en jordbävning kan utlösa sina sensorer. MAGIS-100, å andra sidan, har åtgärder på plats för att förhindra att sådana källor till främmande buller påverkar dess data.

Efter att ha kylts till en bråkdel av en grad över absoluta noll, atomerna tappas vertikalt in i skaftet som droppande vattendroppar från en kran. Den kyliga temperaturen försätter atomerna i ett tillstånd av vila, så de förblir stilla när de faller, och eftersom axeln är ett vakuum, atomerna rasar utan risk att vika ur kurs. Skaftets vertikala orientering säkerställer också att en skakande jord inte påverkar mätningarna.

Lasrar manipulerar sedan de fallande atomerna och teamet kan mäta hur länge de är i ett upphetsat tillstånd. Hogan och Kasevich hoppas kunna använda strontium som sin testmassa - samma element som används i atomklockor - för att avgöra om det finns några tidsfördröjningar när ljus exciterar atomer. En fördröjning skulle tyda på att en gravitationsvåg passerade.

Dessutom, MAGIS-100-forskare kan använda atomdata för att testa förutsägelser gjorda av mörk materiamodeller. Enligt vissa modeller, närvaron av mörk materia kan leda till variationer i atomenerginivåer. Den superkänsliga lasertekniken gör att Plunkett och medarbetare kan leta efter dessa variationer.

Tittar mot rymden

MAGIS-100 är en prototyp, ytterligare ett steg mot att bygga en ännu större enhet som skulle vara många gånger känsligare. Hogan och Kasevich sa att de en dag föreställer sig att bygga något i LIGO-skalan, som är 4 kilometer lång.

Eftersom en framtida fullskalig MAGIS-100 borde detektera lågfrekventa gravitationsvågor runt 1 Hertz, som de som sänder ut från två svarta hål som kretsar runt varandra, det kan identifiera samma händelser som LIGO redan har sett, men innan massorna faktiskt kolliderar. De två experimenten skulle alltså kunna komplettera varandra.

"Vi skulle kunna göra en detektor som kunde se samma system, men mycket, mycket yngre, sa Hogan.

Avancerade detektorer i MAGIS-stil kan också hitta källor till gravitationsvågor som flyger under LIGO:s radar. Ursprungliga gravitationsvågor, till exempel, produceras ögonblick efter Big Bang.

"Att upptäcka gravitationsvågor som härstammar från det tidiga universum kan kasta ljus över vad som faktiskt hände, sa Kasevich.

Ingen vet frekvenserna för dessa urgravitationsvågor eller om den framtida storskaliga detektorn kan fånga upp dem. Hogan sa att han anser att så många detektorer som möjligt bör byggas för att täcka ett brett spektrum av frekvenser och helt enkelt se vad som finns där ute.

"De kända källorna som är spännande är dessa LIGO-liknande källor, sade Hogan. Sedan finns det okända, som vi också borde vara öppna för."