Atominterferometer testet anomale Gravitation

  • 03. July 2017

Laborexperiment mit Materiewellen sucht nach der dunklen Energie.

Für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortliche dunkle Energie könnte sich in sehr schwachen Gravi­tations­feldern als zusätz­liche Kraft bemerkbar machen. Durch Inter­ferenz von atomaren Materie­wellen haben Forscher diese Kraft jetzt mit zuvor uner­reichter Genauig­keit gemessen: Holger Müller von der Univer­sity of Cali­fornia in Berkeley und seine Kollegen haben unter­sucht, wie ultra­kalte Atome, die frei durch einen metal­lischen Hohl­zylinder fallen, durch dessen Schwer­kraft beschleunigt werden.

Atominterferomter - Funktion

Abb. In dem Atominterferometer werden Strahlteiler und Spiegel durch Laser­pulse ersetzt. Sie verändern den Anregungs­zustand und den Impuls der Atome. Nachdem die beiden atomaren Materie­wellen zur Inter­ferenz gebracht wurden, lässt sich das Inter­ferenz­signal an der Besetzungs­häufig­keit der beiden Anregungs­zustände der Atome ablesen. (Bild: M. Jaffe et al. / NPG)

Mit Atominterferometern kann man das Schwerefeld der Erde sehr genau vermessen. In solch einem Inter­fero­meter werden atomare Materie­wellen aufge­spalten und die Teil­wellen, nachdem sie unter­schied­liche Wege durch­laufen haben, zur Inter­ferenz gebracht. Dabei spielen Licht­pulse die Rolle der Strahl­teiler und Umlenk­spiegel eines herkömm­lichen Inter­fero­meters. Aus dem Inter­ferenz­signal lässt sich dann die Schwere­beschleu­nigung ermitteln.

Müller und sein Team haben jetzt das ungleich schwächere Gravita­tionsfeld eines 190 Gramm schweren Wolfram­zylinders eben­falls mit einem Atom­inter­fero­meter gemessen, dessen Empfind­lich­keit sie dazu aller­dings voll aus­reizen mussten. Sie führten insgesamt 430.000 Messungen durch, wobei sie jedes Mal etwa hundert­tausend Cäsium­atome, die sie auf drei­hundert Nano­kelvin gekühlt hatten, senk­recht nach oben schossen und anschlie­ßend frei fallen ließen.

Die Atome bewegten sich längs eines gepulsten Laserstrahls, der zwischen den beiden Spiegeln eines Hohl­raum­resona­tors festge­halten wurde und durch den Hohl­zylinder entlang seiner Längs­achse lief. Zu drei Zeiten im Abstand von jeweils 55 Mikro­sekunden wurden die Atome einem Laser­puls ausge­setzt, der mit einer bestimmten Wahr­schein­lich­keit ihren inneren Zustand und ihre Impulse verän­derte. Abschlie­ßend wurde festge­stellt, wie sich die Atome auf die beiden Zustände verteilten. Das war das Inter­ferenz­signal.

Atominterferometer - Ergebnis

Abb.: Für die Chamäleon-Theorie der dunklen Energie ist der zulässige (weiße) Para­meter­bereich jetzt noch kleiner geworden. Längs der horizon­talen schwarzen Linie bei 2,4 meV kann die Theorie die kosmische Expan­sion erklären. (Bild: M. Jaffe et al. / NPG)

Die störende Wirkung des irdischen Schwerefeldes konnten die Forscher durch einen Trick ausschalten. Dazu hatte ihr Metall­zylinder in seinem Mantel in Längs­richtung einen Schlitz, sodass man ihn, ohne den Laser­strahl und damit das Experi­ment unter­brechen zu müssen, seitlich verschieben und ent­fernen konnte. Indem das Inter­ferenz­signal einmal mit Zylinder und einmal ohne ihn bestimmt wurde, ließ sich aus dem Unter­schied der beiden Signale die nur vom Zylinder verur­sachte Gravi­tation ermitteln.

Die Beschleunigung der Atome durch die Gravitation des Zylinders lag demnach bei 74 nm/s2, jedoch mit großem Mess­fehler. Das Resultat stimmte in etwa mit der theoretischen Vorhersage von 65 nm/s2 überein. Es blieb allerdings eine Differenz von etwa 9 nm/s2. Für diese anomale Beschleu­nigung geben die Forscher, unter Berück­sichti­gung der Mess­fehler, eine obere Schranke von 49 nm/s2. Mit dieser oberen Schranke haben sie die Gültig­keits­grenzen von verschie­denen Theorien für die dunkle Energie über­prüft.

Diesen Theorien zufolge führt die dunkle Energie eine neue Energie­skala in der Größen­ordnung von Mikro­elek­tronen­volt ein. Die gegen­wärtig populäre Theorie des Chamäleon-Feldes nimmt an, das hinter der dunklen Energie ein Feld mit sehr variablen Eigen­schaften steckt. Ist die umge­bende Masse­dichte klein, wie etwa im Raum zwischen den Galaxien, so ist das Feld lang­reich­weitig und das entspre­chende Chamäleon-Quant ist masselos. Für große umge­bende Masse­dichten, etwa im Schwere­feld der Erde, findet jedoch eine Abschir­mung statt. Dann ist das Chamäleon-Feld kurz­reich­weitig und sein Quant hat eine Ruhe­masse.

Das Chamäleon-Feld wird durch zwei Parameter beschrieben: eine Energie­skala, die bei 2,4 meV liegen müsste, um die beob­achtete kosmische Expan­sion erklären zu können; und eine relative Kopplungs­stärke, ausge­drückt in Einheiten der Planck-Masse. Frühere Experi­mente etwa mit Torsions­waagen sowie Atom- und Neutronen­inter­fero­metern hatten den zuläs­sigen Para­meter­bereich einge­schränkt. Die neuen Experi­mente ver­kleinern ihn weiter und lassen nur noch einen winzigen Bereich übrig, der sich mit der kosmischen Expan­sion in Einklang bringen lässt. Die Forscher wollen auch diese Lücke schließen, indem sie ihr Inter­fero­meter noch genauer machen.

Rainer Scharf

RK

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