Überprüfung des Gravitationsgesetzes durch Quantenobjekte

Das Gravitationsgesetz soll bei kleinen Abständen im theoretisch interessanten Bereich bei tausendfacher Erdfeldstärke überprüft werden. Wir verwenden dazu ein System, das aus einem Teilchen, dem Neutron, und einem makroskopischen Objekt, dem Spiegel, besteht, wobei die Phasebeziehung der deBrogliewelle präzise ausgemessen wird. Zum ersten Mal wird dabei, wie von uns vorgeschlagen, die Ramsey-Methode der oszillierenden Felder auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde oberhalb eines horizontalen Spiegels angewandt. Diese Messungen mit ultrakalten Neutronen erlauben es, 21 Größenordnungen unterhalb der Energieskala des Elektromagnetismus das Newtonsche Gravitationsgesetz zu überprüfen und nach hypothetischen kurzreichweitigen Kräften zu suchen. Dieser Ansatz untersucht einen Parameterraum, der komplementär zu anderen Methoden ausgerichtet ist.

Quantentechnologien erreichen höchste Präzision durch das Ausnutzen von Quanteninterferenzphänomenen. Sie finden vielfältige Anwendungen in Naturwissenschaft, Technik und Medizin. Insbesondere Resonanzspektroskopiemethoden ebneten den Weg für das Studium fundamentaler Wechselwirkungen im aktuellen und spannenden Forschungsgebiet der Niederenergieteilchenphysik. Eine Ausnahme bildet die Gravitation; hier konnten Experimente selten von Resonanzspektroskopiemethoden profitieren. Das liegt zum einen daran, dass es bisher keine Theorie der Quantengravitation gibt. Zum anderen stammen Beobachtungen der Gravitation im Wesentlichen aus astronomischen Betrachtungen oder Pendelexperimenten. Die untersuchten Testobjekte sind daher zumeist keine typischen Quantenobjekte. Zum Studium der Gravitation und kosmologischer Fragestellungen haben wir in den letzten Jahren eine neue Resonanzspektroskopiemethode entwickelt. Sie verbindet die beiden Themengruppen Gravitation und Quantenmechanik und erweitert die elektromagnetischen Verfahren von Purcell, Rabi und Ramsey auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde. In Anlehnung an die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) nennen wir die neue Technik Gravitationsresonanzspektroskopie (GRS). Dabei propagiert ein Neutron im Schwerefeld der Erde über einem Spiegel. Zustandsübergänge werden durch resonante Oszillationen des Spiegels ermöglicht. Bei der MRS-Technik hingegen wird ein magnetisches Moment eines Atoms, Moleküls, oder Nukleons in ein äußeres Magnetfeld platziert. Übergänge werden durch das Anlegen eines geeigneten Hochfrequenzfeldes erreicht. Wie bei der dreiteiligen Rabi-Apparatur für Moleküle haben wir ein dreiteiliges GRS-Experiment entwickelt, ohne in irgendeiner Form auf elektromagnetische Kräfte zurückzugreifen. Aufgrund der extrem kleinen Polarisierbarkeit des Neutrons minimiert dies systematische Effekte durch die Abwesenheit von van-der-Waals und Casimirkräften. Erstmals wurden resonante Übergänge von Quantenzuständen ultrakalter Neutronen im Gravitationsfeld der Erde beobachtet. Die hochpräzisen Messungen erlauben es, hypothetische gravitationsähnliche Kräfte und Felder bis 10-14 eV einzuschränken. Insbesondere lassen sich prinzipiell zwischen Einsteins kosmologischer Konstante und Quintessenztheorien differenzieren. Die Messungen beschränken den erlaubten Parameterraum eines solchen Feldes mit Materiekopplung um weitere fünf Größenordnungen verglichen mit anderen Methoden. Sie ermöglichen zudem zukünftig, solche Theorien auf lange Sicht komplett auszuschließen. Ein weiteres Beispiel stellt das Axionfeld dar, ein prominenter Kandidat für Dunkle Materie, der zu einer Spin-Massen-Kopplungen führt. Die Grenzen für ein Axionfeld werden um einen Faktor 30 verbessert.