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Überprüfung des Gravitationsgesetzes durch Quantenobjekte

Test of Gravitation with Quantum Objects

Hartmut Abele (ORCID: 0000-0002-6832-9051)
  • Grant-DOI 10.55776/I529
  • Förderprogramm Einzelprojekte International
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.04.2010
  • Projektende 30.09.2013
  • Bewilligungssumme 508.206 €

DACH: Österreich - Deutschland - Schweiz

Wissenschaftsdisziplinen

Physik, Astronomie (100%)

Keywords

    Gravitation, Experimentalphysik, Quantenphysik, Symmetrien, Kosmologische Konstante, Stringtheorien bei großen Extradimensionen

Abstract Endbericht

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.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Wien - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • Christian Plonka-Spehr, Johannes Gutenberg Universität Mainz - Deutschland
  • Dirk Dubbers, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg - Deutschland
  • Bastian Martin Märkisch, Technische Universität München - Deutschland
  • Stephan Paul, Technische Universität München - Deutschland
  • Torsten Soldner, ILL Neutrons for Society - Frankreich
  • Peter Geltenbort, Institut Laue Langevin - Frankreich
  • Stefan Baessler, Virginia State University - Vereinigte Staaten von Amerika

Research Output

  • 924 Zitationen
  • 33 Publikationen
Publikationen
  • 2019
    Titel Acoustic Rabi oscillations between gravitational quantum states and impact on symmetron dark energy
    DOI 10.48550/arxiv.1902.08775
    Typ Preprint
    Autor Cronenberg G
  • 2012
    Titel Gravitation and quantum interference experiments with neutrons
    DOI 10.1088/1367-2630/14/5/055010
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal New Journal of Physics
    Seiten 055010
    Link Publikation
  • 2012
    Titel Spectroscopy of Gravity.
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Scientific Highlight Article of the Annual Report 2011 of the Institute Laue-Langevin in Grenoble/France
  • 0
    Titel A quantized frequency reference in the short-ranged gravity potential and its application for dark matter and dark engery searches.
    Typ Other
    Autor Abele H Et Al
  • 2024
    Titel Determination of the Weak Axial Vector Coupling =g_{A}/g_{V} from a Measurement of the -Asymmetry Parameter A in Neutron Beta Decay
    DOI 10.7892/boris.49314
    Typ Journal Article
    Autor Mund
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Neutron interferometry constrains dark energy chameleon fields
    DOI 10.1016/j.physletb.2015.02.063
    Typ Journal Article
    Autor Lemmel H
    Journal Physics Letters B
    Seiten 310-314
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Acoustic Rabi oscillations between gravitational quantum states and impact on symmetron dark energy
    DOI 10.1038/s41567-018-0205-x
    Typ Journal Article
    Autor Cronenberg G
    Journal Nature Physics
    Seiten 1022-1026
  • 2019
    Titel Proof of Principle for Ramsey-type Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce
    DOI 10.48550/arxiv.1908.09723
    Typ Preprint
    Autor Sedmik R
  • 2019
    Titel Proof of principle for Ramsey-type gravity resonance spectroscopy with qBounce
    DOI 10.1051/epjconf/201921905004
    Typ Journal Article
    Autor Sedmik R
    Journal EPJ Web of Conferences
    Seiten 05004
    Link Publikation
  • 2019
    Titel Testing gravity at short distances: Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce
    DOI 10.1051/epjconf/201921905003
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal EPJ Web of Conferences
    Seiten 05003
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Experiments with Gravitationally-bound Ultracold Neutrons at the European Spallation Source ESS
    DOI 10.1016/j.phpro.2013.12.016
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Physics Procedia
    Seiten 67-72
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Ultracold neutron detectors based on 10B converters used in the qBounce experiments
    DOI 10.1016/j.nima.2013.06.024
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detector
    Seiten 1-8
    Link Publikation
  • 2012
    Titel A quantized frequency reference in the short-ranged gravity potential and its application for dark matter and dark energy searches
    DOI 10.48550/arxiv.1208.3875
    Typ Preprint
    Autor Jenke T
  • 2012
    Titel Gravitation and quantum interference experiments with neutrons
    DOI 10.48550/arxiv.1207.2953
    Typ Preprint
    Autor Abele H
  • 2012
    Titel Determination of the Weak Axial Vector Coupling from a Measurement of the Beta-Asymmetry Parameter A in Neutron Beta Decay
    DOI 10.48550/arxiv.1204.0013
    Typ Preprint
    Autor Mund D
  • 2012
    Titel Methods and applications of gravity resonance spectroscopy within the qBounce experiment
    DOI 10.1088/1742-6596/340/1/012045
    Typ Journal Article
    Autor Cronenberg G
    Journal Journal of Physics: Conference Series
    Seiten 012045
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Vectorial velocity filter for ultracold neutrons based on a surface-disordered mirror system
    DOI 10.1103/physreve.89.032907
    Typ Journal Article
    Autor Chizhova L
    Journal Physical Review E
    Seiten 032907
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
    DOI 10.1103/physrevlett.112.151105
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 151105
    Link Publikation
  • 2011
    Titel qBounce, the Quantum Bouncing Ball Experiment
    DOI 10.1016/j.phpro.2011.06.011
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Physics Procedia
    Seiten 4-9
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Gravitation unter dem Mikroskop.
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Spektrum der Wissenschaft, September
  • 2016
    Titel Precision experiments with cold and ultra-cold neutrons
    DOI 10.1007/s10751-016-1352-z
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Hyperfine Interactions
    Seiten 155
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Neutron Interferometry constrains dark energy chameleon fields
    DOI 10.48550/arxiv.1502.06023
    Typ Preprint
    Autor Lemmel H
  • 2015
    Titel Gravity experiments with ultracold neutrons and the qBounce experiment
    DOI 10.48550/arxiv.1510.03078
    Typ Preprint
    Autor Jenke T
  • 2015
    Titel A Gravity of Earth Measurement with a qBOUNCE Experiment
    DOI 10.48550/arxiv.1512.09134
    Typ Preprint
    Autor Cronenberg G
  • 2013
    Titel Determination of the Weak Axial Vector Coupling ?=gA/gV from a Measurement of the ß-Asymmetry Parameter A in Neutron Beta Decay
    DOI 10.1103/physrevlett.110.172502
    Typ Journal Article
    Autor Mund D
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 172502
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Influence of the chameleon field potential on transition frequencies of gravitationally bound quantum states of ultracold neutrons
    DOI 10.1103/physrevd.87.105013
    Typ Journal Article
    Autor Ivanov A
    Journal Physical Review D
    Seiten 105013
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
    DOI 10.48550/arxiv.1404.4099
    Typ Preprint
    Autor Jenke T
  • 2014
    Titel Measurement of the Axial-Vector Coupling Constant $g_A$ in Neutron Beta Decay
    DOI 10.48550/arxiv.1410.4220
    Typ Preprint
    Autor Maerkisch B
  • 2010
    Titel Ramsey’s method of separated oscillating fields and its application to gravitationally induced quantum phase shifts
    DOI 10.1103/physrevd.81.065019
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Physical Review D
    Seiten 065019
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique
    DOI 10.1038/nphys1970
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Nature Physics
    Seiten 468-472
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Gravity Spectroscopy.
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Abele H
    Konferenz 2011 Gravitational Waves and Experimental Gravity, E. Augé, J. Dumarchez, J. Tran Thanh Van (eds), The Gioi Publishers, 2011
  • 2011
    Titel Probing the neutron’s electric neutrality with Ramsey spectroscopy of gravitational quantum states of ultracold neutrons
    DOI 10.1103/physrevd.84.036004
    Typ Journal Article
    Autor Durstberger-Rennhofer K
    Journal Physical Review D
    Seiten 036004
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Ramsey Gravity Resonance Spectroscopy with Ultracold Neutrons
    DOI 10.1134/s1027451020070423
    Typ Journal Article
    Autor Sedmik R
    Journal Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques

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