GRS und Suche nach Einstein-Cartan-Gravitation

Die Schwerkraft ist eine Größe, die uns in unserem Alltag ständig begegnet. Faszinierend daran ist, dass wir sie mit einer einfachen Formel beschreiben können. Ihr Gültigkeitsbereich umfasst sowohl ganz kleine Abstände, als auch ungemein große, die z.B. Ga laxien und das Universums als Ganzes betreffen. Die Gleichung dazu ist Einsteins Formulierung der Gravitation, genannt allgemeine Relativitätsstheorie aus dem Jahre 1915. Hat Einstein dabei einen Aspekt vergessen? 1922 formulierte Ellie Cartan die Gravitation etwas allgemeiner, indem er zusätzlich zur Masse, Raum und Zeit noch einen Drehsinn hinzufügte. Für die mathematische Darstellung bedeutet dies, dass man einem Plusterm einen Minusterm hinzufügt. Dadurch wird die Beschreibung symmetrischer und passt be sser zu unserem heutigen Bild der Physik. Ziel dieser Arbeit ist es, nach einer Bestätigung der Theorie, die heute nach Einstein und Cartan benannt ist, zu suchen. Die Frage, die sich dabei stellt, ist, ob bei der Gravitation generell ein Spin - Beitrag zu berücksichtigen ist. Dazu verwenden wir Elementarteilchen, die einen natürlichen Drehsinn, den Spin besitzen. Könnte es sein, dass ein fallendes Objekt, hier unser Neutron, im Widerspruch zur bisherigen Erfahrung im freien Fall zu rotieren beginnt und andere Energiewerte annimmt? Zur Messung setzen wir einen Quanteneffekt mit Hilfe einer Resonanzspektroskopiemethode ein, die wir bei einem früheren Projekt entwickelt hatten. Mit solchen Quantensystemen lassen sich zur Zeit die genauesten Messinstrumente bauen. Man denke nur an Atomuhren, die präzise Zeitstandards liefern, oder an die Magnetresonanzmethode, die in der Medizin gestochen scharfe Bilder vom Inneren des menschlichen Körpers zeigt. Prinzipien aus beiden Techniken übernehmen wir für unser Experiment.

qBounce - Präzisionsexperimente zur Gravitation mit Neutronen als Quantenobjekte Das qBounce-Experiment untersucht eine der zentralen offenen Fragen der modernen Physik: Wie verhält sich die Gravitation im Quantenbereich? Mit ultrakalten Neutronen, die im Schwerefeld der Erde über einem Spiegel "springen", wurde ein weltweit einzigartiges Experiment realisiert, in dem Gravitation unmittelbar mit den extrem sensitiven Methoden der Quantenmechanik und -technologie untersucht werden kann. Ein entscheidender Durchbruch von qBounce war die Entwicklung der Gravitations-Resonanzspektroskopie. Mit dieser Methode lassen sich die quantisierten Energiezustände von Neutronen im Gravitationsfeld gezielt anregen und mit extrem hoher Präzision vermessen. Da Neutronen elektrisch neutral sind, ist das Experiment weitgehend frei von elektromagnetischen Störeinflüssen und damit besonders empfindlich gegenüber neuen physikalischen Effekten. Auf dieser Grundlage gelang qBounce ein weiterer Meilenstein: die Umsetzung der Ramsey-Spektroskopie mit gravitativen Quantenzuständen. Durch die kohärente Manipulation von Überlagerungszuständen und lange Wechselwirkungszeiten konnte die Messgenauigkeit erheblich gesteigert - ein Konzept, das in der Atomphysik bereits zu den genauesten Uhren der Welt geführt hat und nun erstmals auf Gravitation angewendet wurde. Ein zentrales Forschungsziel von qBounce ist die experimentelle Untersuchung der Einstein-Cartan-Gravitation, einer Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie, die zusätzliche Freiheitsgrade der Raumzeit, insbesondere Torsion und Spin-Gravitations-Kopplungen, erlaubt. In diesem Kontext hat qBounce die weltweit besten experimentellen Grenzen für mehrere Parameter erzielt, die mögliche Abweichungen von der klassischen, riemannschen Gravitation beschreiben. Diese Resultate verbessern die in Searches for Beyond-Riemann Gravity (Phys. Rev. D 104, 044054, 2021) diskutierten Grenzen deutlich und setzen neue Maßstäbe für Präzisionstests der Gravitation. Darüber hinaus ermöglicht das Experiment auch Aussagen zu alternativen Gravitationskonzepten. So liefert qBounce experimentelle Einschränkungen für Verlindes entropische Gravitation, nach der Gravitation nicht fundamental, sondern als emergentes, thermodynamisches Phänomen verstanden wird. Die hohe Sensitivität bei Mikrometer-Abständen und extrem kleinen Energien erlaubt es, solche Konzepte direkt zu überprüfen. Insgesamt zeigt qBounce, dass Quantenexperimente mit Neutronen ein leistungsfähiges Werkzeug für die Erforschung der Gravitation jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie sind. Die Kombination aus Gravitations-Resonanzspektroskopie und Ramsey-Methoden eröffnet neue Perspektiven auf die Quantennatur der Raumzeit und liefert einige der weltweit strengsten Tests für neue gravitative Wechselwirkungen.