Metrologische Kraftmessungen mit planparallelen Platten

Wir können nur 5% des Universums direkt beobachten. Die restlichen 95 % sind nicht sichtbar und werden als dunkel bezeichnet. Wir wissen, dass sie existieren, da sonst die Bewegung normaler Materie nicht erklärbar wäre. Galaxien wie unsere Milchstraße, würden auf Grund der Fliehkräfte zerfallen. Durch ihre Gravitationsanziehung hält dunkle Materie Sterne und Gas beisammen. Dunkle Energie ist noch schwieriger zu beobachten. Sie wirkt als Druck, der die beschleunigte Ausdehnung des Universums verursacht. Wir messen, dass alle anderen Objekte im Universum sich stets schneller von uns weg bewegen, wobei die Geschwindigkeit mit der Entfernung zunimmt. Dies kann man sich vorstellen, als wäre man auf der Oberfläche eines Luftballons der gerade aufgeblasen wird. Während wir die Effekte dunkler Materie und Energie beobachten können, so wissen wir selbst nach Jahrzehnten intensiver Suche nicht, woraus sie bestehen. Viele Theorien wurden dazu entwickelt, doch keine konnte bislang experimentell bestätigt werden. Manche Theorien stellen eine Verbindung zwischen dunkler Energie und der Nullpunktsenergie her. Letztere ist eine Eigenschaft von Quantenobjekten, welche nie vollständig still stehen können, sondern auch am absoluten Temperaturnullpunkt immer leicht fluktuieren. Diese Vakuumfluktuationen verursachen den Casimireffekt, der sich als Kraft zwischen Objekten bei kleinen Abständen äußert. Geckos etwa nutzen diesen Effekt, um besser an Oberflächen zu haften. Im Labor kann die Casimirkraft gemessen werden, doch sind einige Aspekte nicht geklärt und derzeitige Experimente nicht genau genug, um die offenen Fragen zu beantworten. CANNEX ist das weltweit einzige Experiment, mit dem sehr genaue (metrologische) Kraftmessungen zwischen makroskopischen plan-parallelen Platten durchgeführt werden können. Diese Geometrie hat den Vorteil, dass zwischen den Oberflächen wirkende Kräfte maximiert werden, wodurch bei gleicher Sensitivität genauere Messungen möglich sind. Zudem können Experiment und Theorie besser verglichen werden, da meist analytische Lösungen ohne umfangreiche Näherungen verfügbar sind. Technisch gesehen, sind plan-parallele Platten jedoch schwierig zu realisieren. Wir müssen die Parallelität auf dem Niveau von einem Millionstel Grad messen und korrigieren, perfekt flache, staubfreie Oberflächen verwenden, Vibrationen eliminieren und thermische Schwankungen auf 1/1000C reduzieren. Sind all diese Hürden genommen, können wir die Casimirkraft mit hundertfach höherer Genauigkeit und bei größeren Abständen vermessen als bisher, wodurch seit 20 Jahren offene Fragen beantwortet werden können. Ebenso können wir die Gravitationsanziehung zwischen den Platten und winzige Effekte dunkler Materie und Energie messen. Finden wir diese Effekte nicht, können wir die entsprechenden Theorien innerhalb der experimentellen Ungenauigkeit ausschließen. Damit können wir potentiell viele offene Fragen beantworten und unser Wissen über den dunklen Teil des Universums erweitern.

Wir können nur 5% des Universums direkt beobachten. Die restlichen 95% sind nicht sichtbar und werden als "dunkel" bezeichnet. Wir wissen, dass sie existieren, da sonst die Bewegung normaler Materie nicht erklärbar wäre. Galaxien wie unsere Milchstraße würden auf Grund der Fliehkräfte zerfallen doch durch ihre Gravitationsanziehung hält dunkle Materie Sterne und Gas beisammen. Dunkle Energie ist noch schwieriger zu beobachten. Sie wirkt als Druck, der die beschleunigte Ausdehnung des Universums verursacht. Während wir die Effekte dunkler Materie und Energie in der Astronomie beobachten können, so wissen wir selbst nach Jahrzehnten intensiver Suche nicht, woraus sie bestehen. Viele Theorien wurden dazu entwickelt, doch keine konnte bislang experimentell bestätigt werden. Manche Theorien stellen eine Verbindung zwischen dunkler Energie und der sogenannten Nullpunktsenergie her. Letztere ist eine Eigenschaft von Quantenobjekten, welche nie vollständig still stehen können, und auch am absoluten Temperaturnullpunkt immer leicht fluktuieren. Diese Vakuumfluktuationen verursachen den Casimireffekt, der sich als Kraft zwischen Objekten bei kleinen Abständen äußert. Geckos etwa nutzen diesen Effekt, um besser an Oberflächen zu haften, doch in der Theorie gibt es noch offene Fragen, die bisherige Experimente nicht vollständig beantworten konnten. Um dunkle Materie und Energie besser zu verstehen, sowie offenen Fragen zum Casimireffekt zu beantworten, kann man sehr genaue Kraftmessungen bei kleinen Abständen durchführen. Genau zu diesem Zweck wurde CANNEX gebaut. Es ist das weltweit einzige Experiment, mit dem sehr genaue (metrologische) Kraftmessungen zwischen makroskopischen plan-parallelen Platten durchgeführt werden können. Diese Geometrie hat den Vorteil, dass zwischen den Oberflächen wirkende Kräfte maximiert werden, wodurch genauere Messungen möglich sind. Zudem können Experiment und Theorie besser verglichen werden. Finden wir innerhalb der experimentellen Ungenauigkeit vorhergesagte Effekte nicht, können wir die entsprechenden Theorien ausschließen. Damit können wir viele offene Fragen beantworten und unser Wissen über den dunklen Teil des Universums erweitern. In nur drei Jahren haben wir eines der besten Vibrationsisolationssysteme in Österreich, ein Kontrollsystem das alle Teile des Experiments auf 1/1000 C genau auf der gleichen Temperatur hält, ein optisches Messsystem, welches unsere 1 cm großen Messplatten auf ein Milliardstel Meter genau parallel hält, und mehrere andere technisch aufwändige Systeme gebaut und getestet. Das Experiment wurde schließlich auf das Conrad Observatorium der Geosphere Austria gebracht, wo es isoliert von Störquellen der Zivilisation unser Wissen über den dunklen Teil des Universums, den Casimireffekt sowie die Gravitation bei kleinen Abständen an der Grenze zwischen klassischer und Quantenwelt erweitern soll. Bis es das kann, sind jedoch noch weitere Tests notwendig, was noch bis Ende 2026 dauern wird.