Die dunkle Energie, eine geheimnisvolle Kraft, die das Universum immer schneller auseinandertreibt, wurde vor 26 Jahren entdeckt, und seither suchen Wissenschaftler nach einem neuen, exotischen Teilchen, das diese Expansion verursacht.
Physiker der University of California, Berkeley, haben nun das bisher präziseste Experiment gebaut, um nach geringfügigen Abweichungen von der anerkannten Theorie der Schwerkraft zu suchen, die ein Beweis für ein solches Teilchen sein könnten, das Theoretiker als Chamäleon oder Symmetron bezeichnen.
Das Experiment, bei dem ein Atominterferometer für präzise Schwerkraftmessungen mit einem optischen Gitter kombiniert wird, das die Atome an Ort und Stelle hält, ermöglichte es den Forschern, frei fallende Atome für Sekunden statt für Millisekunden festzuhalten, um nach Gravitationseffekten zu suchen, und übertraf damit die derzeit präziseste Messung um den Faktor fünf.
Neue Untersuchungen werden möglich gemacht
Obwohl die Forscher keine Abweichung von der von Isaac Newton vor 400 Jahren aufgestellten Theorie feststellten, könnten die erwarteten Verbesserungen in der Präzision des Experiments schließlich Beweise liefern, die Theorien über eine hypothetische fünfte Kraft, die durch Chamäleons oder Symmetronen vermittelt wird, unterstützen oder widerlegen.
Die Fähigkeit des Gitter-Atom-Interferometers, Atome bis zu 70 s lang und möglicherweise zehnmal länger, zu halten, eröffnet auch die Möglichkeit, die Schwerkraft auf der Quantenebene zu untersuchen, sagte Holger Müller, Physikprofessor an der UC Berkeley. Während Physiker über gut getestete Theorien verfügen, die die Quantennatur von drei der vier Naturkräfte, Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kraft, beschreiben, konnte die Quantennatur der Schwerkraft noch nie nachgewiesen werden.
„Die meisten Theoretiker sind sich wahrscheinlich einig, dass die Schwerkraft quantenhaft ist. Aber niemand hat jemals eine experimentelle Signatur dafür gesehen“, sagte Müller. „Aber wenn wir unsere Atome 20- oder 30-mal länger halten könnten als alle anderen, weil unsere Empfindlichkeit mit der zweiten oder vierten Potenz der Haltezeit zunimmt, hätten wir eine 400- bis 800.000-mal bessere Chance, den experimentellen Beweis zu finden, dass die Schwerkraft tatsächlich quantenmechanisch ist.“
Neben der Präzisionsmessung der Schwerkraft kann das Gitter-Atom-Interferometer auch für die Quantenmessung eingesetzt werden.
„Die Atominterferometrie ist besonders empfindlich für Schwerkraft- und Trägheitseffekte. Man kann Gyroskope und Beschleunigungsmesser bauen“, sagt Cristian Panda, Postdoktorand an der UC Berkeley und Erstautor eines Artikels über die Schwerkraftmessungent. „Dies gibt der Atominterferometrie eine neue Richtung, in der die Quantenmessung von Schwerkraft, Beschleunigung und Rotation mit Atomen erfolgen könnte, die in optischen Gittern in einem kompakten Paket gehalten werden, das unempfindlich gegenüber Umgebungsstörungen oder Rauschen ist.“
Da das optische Gitter die Atome fest an ihrem Platz hält, könnte das Gitter-Atom-Interferometer sogar im Meer eingesetzt werden, wo empfindliche Schwerkraftmessungen zur Kartierung der Geologie des Meeresbodens verwendet werden.
Abgeschirmte Kräfte können sich im Verborgenen halten
Die dunkle Energie wurde 1998 von zwei Wissenschaftlerteams entdeckt: einer Gruppe von Physikern am Lawrence Berkeley National Laboratory unter der Leitung von Saul Perlmutter, heute Physikprofessor an der UC Berkeley, und einer Gruppe von Astronomen, zu der auch der Postdoktorand Adam Riess von der UC Berkeley gehörte. Die beiden teilten sich 2011 den Nobelpreis für Physik für diese Entdeckung.
Die Erkenntnis, dass sich das Universum schneller ausdehnt, als es sollte, kam durch die Verfolgung weit entfernter Supernovas und deren Verwendung zur Messung kosmischer Entfernungen. Trotz vieler Spekulationen von Theoretikern darüber, was den Raum tatsächlich auseinandertreibt, bleibt die dunkle Energie ein Rätsel, ein großes Rätsel, da etwa 70 Prozent der gesamten Materie und Energie des Universums in Form von dunkler Energie vorliegt.
Eine Theorie besagt, dass die dunkle Energie lediglich die Vakuumenergie des Raums ist. Eine andere besagt, dass es sich um ein Energiefeld, die so genannte Quintessenz, handelt, die sich über Zeit und Raum hinweg verändert.
Ein anderer Vorschlag besagt, dass es sich bei der dunklen Energie um eine fünfte Kraft handelt, die viel schwächer als die Schwerkraft ist und durch ein Teilchen vermittelt wird, das eine abstoßende Kraft ausübt, die mit der Dichte der umgebenden Materie variiert. In der Leere des Raums würde sie über große Entfernungen eine abstoßende Kraft ausüben, die den Raum auseinanderdrücken kann. In einem Labor auf der Erde, wo es von Materie abgeschirmt ist, hätte das Teilchen eine extrem geringe Reichweite. Dieses Teilchen wurde als Chamäleon bezeichnet, so als ob es sich im Verborgenen hält.
2015 passte Müller ein Atominterferometer an, um mit Cäsiumatomen, die in eine Vakuumkammer geschossen wurden, die die Leere des Weltraums nachahmt, nach Beweisen für Chamäleons zu suchen. Während der 10 bis 20 ms, die die Atome brauchten, um über einer schweren Aluminiumkugel auf- und abzusteigen, entdeckten er und sein Team keine Abweichung von dem, was man aufgrund der normalen Anziehungskraft von Kugel und Erde erwarten würde.
Der Schlüssel zum Testen der Schwerkraft mit frei fallenden Atomen liegt in der Fähigkeit, jedes Atom in eine Quantenüberlagerung von zwei Zuständen zu versetzen, die jeweils einen leicht unterschiedlichen Impuls haben, der sie unterschiedlich weit von einem schweren, über ihnen hängenden Wolframgewicht trägt. Der Zustand mit dem höheren Impuls und der größeren Höhe erfährt eine stärkere Anziehungskraft auf das Wolframgewicht, wodurch sich seine Phase ändert. Wenn die Wellenfunktion des Atoms kollabiert, zeigt der Phasenunterschied zwischen den beiden Teilen der Materiewelle den Unterschied in der Gravitationsanziehung zwischen ihnen.
„Atominterferometrie ist die Kunst und Wissenschaft, die Quanteneigenschaften eines Teilchens zu nutzen, das heißt die Tatsache, dass es sowohl ein Teilchen als auch eine Welle ist. Wir spalten die Welle auf, so dass das Teilchen zwei Wege gleichzeitig geht, und überlagern sie dann am Ende“, so Müller. „Die Wellen können entweder gleichphasig sein und sich addieren, oder sie können außer Phase sein und sich gegenseitig aufheben. Der Trick ist, dass die Phasenlage sehr empfindlich von einigen Größen abhängt, die man messen möchte, wie zum Beispiel Beschleunigung, Schwerkraft, Rotation oder Grundkonstanten.“
Im Jahr 2019 fügten Müller und seine Kollegen ein optisches Gitter hinzu, um die Atome für eine viel längere Zeit, erstaunliche 20 s, in der Nähe des Wolframgewichts zu halten und so die Wirkung der Schwerkraft auf die Phase zu verstärken. Das optische Gitter besteht aus zwei gekreuzten Laserstrahlen, die eine gitterartige Anordnung von stabilen Plätzen für Atome schaffen, die im Vakuum schweben. Aber waren 20 s die Grenze, fragte er sich?
Auf dem Höhepunkt der Covid-19-Pandemie arbeitete Panda unermüdlich daran, die Haltezeit zu verlängern, und arbeitete systematisch eine Liste von 40 möglichen Hindernissen ab, bis er feststellte, dass die durch Vibrationen verursachte Neigung des Laserstrahls eine wesentliche Einschränkung darstellte. Durch die Stabilisierung des Strahls in einer Resonanzkammer und die Einstellung einer etwas kälteren Temperatur, in diesem Fall weniger als ein Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt oder eine Milliarde Mal kälter als Raumtemperatur, konnte er die Haltezeit auf 70 s verlängern.
Gravitationsverschränkung
In dem neu vorgestellten Schwerkraftexperiment tauschten Panda und Müller eine kürzere Zeit, nämlich 2 s, gegen eine größere Trennung der Wellenpakete auf mehrere Mikrometer oder einige tausendstel Millimeter ein. In der Vakuumkammer befinden sich bei jedem Experiment etwa 10.000 Cäsiumatome, die zu dünn verteilt sind, um miteinander in Wechselwirkung zu treten, und durch das optische Gitter in Wolken von jeweils etwa 10 Atomen zerlegt werden.
„Die Schwerkraft versucht, sie mit einer Kraft nach unten zu drücken, die eine Milliarde Mal stärker ist als die Anziehungskraft auf die Wolframmasse, aber man hat die Rückstellkraft des optischen Gitters, das sie wie ein Regal hält“, so Panda. „Wir nehmen dann jedes Atom und teilen es in zwei Wellenpakete auf, so dass es sich in einer Überlagerung von zwei Höhen befindet. Und dann nehmen wir jedes dieser beiden Wellenpakete und laden es in einen separaten Gitterplatz, ein separates Regal, so dass es wie ein Schrank aussieht. Wenn wir das Gitter ausschalten, rekombinieren die Wellenpakete, und die gesamte Quanteninformation, die während des Haltens gewonnen wurde, kann ausgelesen werden.“
Panda plant den Bau eines eigenen Gitter-Atom-Interferometers an der Universität von Arizona, wo er gerade zum Assistenzprofessor für Physik ernannt wurde. Er hofft, damit unter anderem die Gravitationskonstante, die die Schwerkraft mit der Masse verbindet, genauer messen zu können.
In der Zwischenzeit bauen Müller und sein Team von Grund auf ein neues Gitter-Atom-Interferometer mit besserer Schwingungskontrolle und niedrigerer Temperatur. Das neue Gerät könnte 100-mal bessere Ergebnisse liefern als das derzeitige Experiment und empfindlich genug sein, um die Quanteneigenschaften der Schwerkraft nachzuweisen. Das geplante Experiment zum Nachweis der Gravitationsverschränkung wäre im Erfolgsfall vergleichbar mit dem ersten Nachweis der Quantenverschränkung von Photonen, der 1972 an der UC Berkeley von dem verstorbenen Stuart Freedman und dem ehemaligen Postdoktoranden John Clauser durchgeführt wurde. Clauser erhielt für diese Arbeit 2022 den Nobelpreis für Physik.
