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GRS und Suche nach Einstein-Cartan-Gravitation

GRS for Einstein-Cartan Gravity

Hartmut Abele (ORCID: 0000-0002-6832-9051)
  • Grant-DOI 10.55776/P33279
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.05.2020
  • Projektende 30.04.2025
  • Bewilligungssumme 388.993 €

Wissenschaftsdisziplinen

Chemie (25%); Physik, Astronomie (75%)

Keywords

    Precision Experiments with Neutrons, Einstein Cartan Gravity, Spectroscopy, Gravity Resonance Spectroscopy

Abstract Endbericht

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.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Wien - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • Tobias Jenke, Institut Laue Langevin - Frankreich

Research Output

  • 96 Zitationen
  • 25 Publikationen
  • 2 Policies
  • 1 Künstlerischer Output
  • 1 Methoden & Materialien
  • 2 Disseminationen
  • 3 Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 1 Weitere Förderungen
Publikationen
  • 2024
    Titel Exciting hint toward the solution of the neutron lifetime puzzle
    DOI 10.1103/physrevd.110.073004
    Typ Journal Article
    Autor Hummel F
    Journal Physical Review D
  • 2024
    Titel Ultracold neutrons in the low curvature limit: Remarks on the post-Newtonian effects
    DOI 10.1103/physrevd.109.064085
    Typ Journal Article
    Autor Koch B
    Journal Physical Review D
  • 2024
    Titel Search for Dark Energy and Modified Gravity with Tabletop Experiments
    Typ PhD Thesis
    Autor Hauke Fischer
  • 2024
    Titel Search for environment-dependent dilatons
    DOI 10.1016/j.dark.2024.101419
    Typ Journal Article
    Autor Fischer H
    Journal Physics of the Dark Universe
  • 2023
    Titel Green's function analysis of the neutron Lloyd interferometer
    DOI 10.1515/zna-2023-0045
    Typ Journal Article
    Autor Käding C
    Journal Zeitschrift für Naturforschung A
  • 2023
    Titel Particle physics at the European Spallation Source
    DOI 10.1016/j.physrep.2023.06.001
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Physics Reports
  • 2023
    Titel Decoherence-free entropic gravity for a Dirac fermion
    DOI 10.1103/physrevd.108.104036
    Typ Journal Article
    Autor Campos A
    Journal Physical Review D
  • 2023
    Titel qBounce : Ramsey Spectroscopy Using Gravitationally Bound Quantum States Of Neutrons
    Typ PhD Thesis
    Autor Jakob Micko
  • 2023
    Titel Precision Frontier: Search for New Physics with "Tabletop Experiments" & Beyond
    Typ Postdoctoral Thesis
    Autor Mario Pitschmann
  • 2023
    Titel Commissioning of the qBounce-Ramsey-spectrometer and its application to test the neutron's neutrality
    Typ PhD Thesis
    Autor Joachim Bosina
  • 2025
    Titel Very special relativity in accelerated frames: Nonrelativistic effects in gravitational spectroscopy of ultracold neutrons
    DOI 10.1103/18df-wsv1
    Typ Journal Article
    Autor Muñoz E
    Journal Physical Review D
  • 2021
    Titel Tests of fundamental quantum mechanics and dark interactions with low-energy neutrons
    DOI 10.1038/s42254-021-00298-2
    Typ Journal Article
    Autor Sponar S
    Journal Nature Reviews Physics
    Seiten 309-327
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Can a Chameleon Field Be Identified with Quintessence?
    DOI 10.3390/universe6120221
    Typ Journal Article
    Autor Ivanov A
    Journal Universe
    Seiten 221
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Spectra of neutron wave functions in Earth’s gravitational field
    DOI 10.1515/zna-2022-0050
    Typ Journal Article
    Autor Suda M
    Journal Zeitschrift für Naturforschung A
    Seiten 875-898
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Decoherence-free entropic gravity: Model and experimental tests
    DOI 10.1103/physrevresearch.3.033065
    Typ Journal Article
    Autor Schimmoller A
    Journal Physical Review Research
    Seiten 033065
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Gravity resonance spectroscopy and dark energy symmetron fields
    DOI 10.1140/epjs/s11734-021-00088-y
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal The European Physical Journal Special Topics
    Seiten 1131-1136
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Quantum gravitational states of ultracold neutrons as a tool for probing of beyond-Riemann gravity
    DOI 10.48550/arxiv.2109.09982
    Typ Preprint
    Autor Ivanov A
  • 2021
    Titel Quantum gravitational states of ultracold neutrons as a tool for probing of beyond-Riemann gravity
    DOI 10.1016/j.physletb.2021.136640
    Typ Journal Article
    Autor Ivanov A
    Journal Physics Letters B
    Seiten 136640
    Link Publikation
  • 2023
    Titel qBounce: Systematic shifts of transition frequencies of gravitational states of ultra-cold neutrons using Ramsey gravity resonance spectroscopy
    DOI 10.48550/arxiv.2301.08583
    Typ Other
    Autor Bosina J
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Green's function analysis of the Neutron Lloyd interferometer
    DOI 10.48550/arxiv.2302.11429
    Typ Other
    Autor Käding C
    Link Publikation
  • 2023
    Titel qBounce: First Measurement of the Neutron Electric Charge with a Ramsey-type GRS Experiment
    DOI 10.48550/arxiv.2301.05984
    Typ Other
    Autor Bosina J
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Decoherence-Free Entropic Gravity: Model and Experimental Tests
    DOI 10.48550/arxiv.2012.10626
    Typ Other
    Autor Mccaul G
    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
  • 2022
    Titel A novel nuclear emulsion detector for measurement of quantum states of ultracold neutrons in the Earth's gravitational field
    DOI 10.1088/1748-0221/17/07/p07014
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Journal of Instrumentation
  • 2020
    Titel Gravity Resonance Spectroscopy and Dark Energy Symmetron Fields
    DOI 10.48550/arxiv.2012.07472
    Typ Other
    Autor Bosina J
    Link Publikation
Policies
  • 2025 Link
    Titel ENSA Position Paper 2025
    Typ Contribution to a national consultation/review
    Link Link
  • 2023
    Titel Report on Austria's 2019 - 2023 Associate Membership at the Institute Max von Laue-Paul Langevin (ILL) neutron source
    Typ Implementation circular/rapid advice/letter to e.g. Ministry of Health
Künstlerischer Output
  • 2019 Link
    Titel Happy Birthday Ultra-Cold Neutron
    Typ Film/Video/Animation
    Link Link
Methoden & Materialien
  • 0 Link
    Titel Application of Gravity Resonance Spectroscopy to Ramsey Technique of Separated Oscillating Fields
    Typ Improvements to research infrastructure
    Link Link
Disseminationen
  • 2019
    Titel Guided tours at TRIGA reactor Wien
    Typ Participation in an open day or visit at my research institution
  • 2024 Link
    Titel Neutron session at PQE2024 conference
    Typ Participation in an activity, workshop or similar
    Link Link
Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 2024
    Titel Member, Scientific Advisory Committee of the European Spallation Source (SAC), Lund
    Typ Prestigious/honorary/advisory position to an external body
    Bekanntheitsgrad Continental/International
  • 2024
    Titel Doctor Philosophiae Honoris Causa
    Typ Honorary Degree
    Bekanntheitsgrad National (any country)
  • 2019
    Titel Steering committee at Institut Laue-Langevin, Grenoble
    Typ Prestigious/honorary/advisory position to an external body
    Bekanntheitsgrad Continental/International
Weitere Förderungen
  • 2023
    Titel NextPi
    Typ Research grant (including intramural programme)
    Förderbeginn 2023
    Geldgeber Austrian Research Promotion Agency

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