Die Suche nach Dunkler Energie mit Tabletop Experimenten

Die Existenz der dunklen Energie (DE) stellt eines der größten Rätsel der modernen Physik dar. Die beobachtete, derzeit beschleunigte Expansion des Universums liefert einen klaren Hinweis darauf, dass eine unbekannte Substanz im Universum die Beschleunigung verursacht. Kosmologische Beobachtungen zeigen, dass derzeit etwa 70% des Energieinhalts des Universums auf diese unbekannte Substanz, die DE, zurückzuführen ist. Der Ursprung der DE ist bislang unbekannt. Die Theorie, welche das Universum in kosmologischen Distanzen beschreibt, ist die allgemeine Relativitätstheorie (ART). Da kosmologische Beobachtungen für die Interpretation der experimentellen Resultate auf der ART beruhen, erscheint es naheliegend, dass die ART einer Modifikation bedarf um die derzeit beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Während eine Modifikation für kurze Distanzen tatsächlich leicht möglich ist, ist die Modifikation der Theorie für große Distanzen sehr subtil und würde einige der fundamentalen Annahmen der Theorie verletzen. Es erscheint natürlicher, die Existenz zusätzlicher neuer hypothetischer Skalarfelder (SF) anzunehmen, welche an die Gravitation koppeln und die DE ausmachen. Die Annahme neuer SF ist auch durch neue Theorien im Bereich der Teilchenphysik gut motiviert. Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons wurde tatsächlich ein skalares Teilchen beobachtet. Dies liefert einen weiteren Hinweis auf die mögliche Existenz zusätzlicher SF. Während zusätzliche SF eine natürliche Ursache dieser unbekannten Substanz, welche für die Beschleunigung des Universums verantwortlich ist darstellen, würden diese auch zu neuen Wechselwirkungen, sogenannten fünften Kräften, führen. Hochpräzisionsmessungen im solaren als auch im terrestrischen Bereich konnten bislang jedoch keinerlei fünfte Kräfte nachweisen. Aus diesem Grund wurden neue Mechanismen konzipiert, welche diese SF in Umgebungen verbergen, wo sie zu Messabweichungen führen würden. Diesen Umgebungen entsprechen typischerweise hohe Massendichten. Auf kosmologischen Distanzen hingegen, wo die mittlere Massendichte gering ist, können sich diese Felder ausbreiten und die beschleunigte Expansion des Universums vorantreiben. Interessanterweise sind viele Hochpräzisions-Tabletop-Experimente prinzipiell in der Lage solche hypothetischen neuen SF nachzuweisen. Seit kurzem wird mit großem Aufwand sowohl von experimentellen Gruppen als auch von Theoretikern die Suche nach diesen neuen SF vorangetrieben. Drei dieser Hochpräzisionsexperimente werden von Mitgliedern der Neutronen- und Quantenphysikgruppe des Atominstituts/TU Wien durchgeführt. Dieses Projekt umfasst die theoretische Analyse, welche zum Nachweis mehrerer prominenter hypothetischer SF, und damit auch der DE, mithilfe dieser drei Experimente Voraussetzung ist. Diese Analyse wird auch Daten des Lunar Laser Ranging miteinbeziehen, um die Untersuchung in den astrophysikalischen Bereich auszuweiten.

Die Existenz der dunklen Energie (DE) stellt eines der größten Rätsel der modernen Physik dar. Die beobachtete, derzeit beschleunigte Expansion des Universums liefert einen klaren Hinweis darauf, dass eine unbekannte Substanz im Universum die Beschleunigung verursacht. Kosmologische Beobachtungen zeigen, dass derzeit etwa 70% des Energieinhalts des Universums auf diese unbekannte Substanz, die DE, zurückzuführen ist. Der Ursprung der DE ist bislang unbekannt. Die Theorie, welche das Universum in kosmologischen Distanzen beschreibt, ist die allgemeine Relativitätstheorie (ART). Da kosmologische Beobachtungen für die Interpretation der experimentellen Resultate auf der ART beruhen, erscheint es naheliegend, dass die ART einer Modifikation bedarf um die derzeit beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Während eine Modifikation für kurze Distanzen tatsächlich leicht möglich ist, ist die Modifikation der Theorie für große Distanzen sehr subtil und würde einige der fundamentalen Annahmen der Theorie verletzen. Es erscheint natürlicher, die Existenz zusätzlicher neuer hypothetischer Skalarfelder (SF) anzunehmen, welche an die Gravitation koppeln und die DE ausmachen. Die Annahme neuer SF ist auch durch neue Theorien im Bereich der Teilchenphysik gut motiviert. Während zusätzliche SF eine natürliche Ursache dieser unbekannten Substanz, welche für die Beschleunigung des Universums verantwortlich ist darstellen, würden diese auch zu neuen Wechselwirkungen, sogenannten fünften Kräften, führen. Hochpräzisionsmessungen im solaren als auch im terrestrischen Bereich konnten bislang jedoch keinerlei fünfte Kräfte nachweisen. Aus diesem Grund wurden neue Mechanismen konzipiert, welche diese SF in Umgebungen verbergen, wo sie zu Messabweichungen führen würden. Diesen Umgebungen entsprechen typischerweise hohe Massendichten. Auf kosmologischen Distanzen hingegen, wo die mittlere Massendichte gering ist, können sich diese Felder ausbreiten und die beschleunigte Expansion des Universums vorantreiben. Interessanterweise sind viele Hochpräzisions-Tabletop-Experimente prinzipiell in der Lage solche hypothetischen neuen SF nachzuweisen. Seit kurzem wird mit großem Aufwand sowohl von experimentellen Gruppen als auch von Theoretikern die Suche nach diesen neuen SF vorangetrieben. Drei dieser Hochpräzisionsexperimente werden von Mitgliedern der Neutronen- und Quantenphysikgruppe des Atominstituts/TU Wien durchgeführt. Dieses Projekt umfasste die theoretische Analyse, welche zum Nachweis mehrerer prominenter hypothetischer SF, und damit auch der DE, mithilfe dieser drei Experimente Voraussetzung ist. Diese Analyse bezog auch Daten des Lunar Laser Ranging mit ein, um die Untersuchung in den astrophysikalischen Bereich auszuweiten. Aufgrund der erhaltenen Resultate konnten unbekannte Modellparameter verschiedener DE Kandidatenmodelle wesentlich eingeschränkt werden.