Überprüfung des Gravitationsgesetzes durch Quantenobjekte
Test of Gravitation with Quantum Objects
DACH: Österreich - Deutschland - Schweiz
Wissenschaftsdisziplinen
Physik, Astronomie (100%)
Keywords
-
Gravitation,
Experimentalphysik,
Quantenphysik,
Symmetrien,
Kosmologische Konstante,
Stringtheorien bei großen Extradimensionen
Das Gravitationsgesetz soll bei kleinen Abständen im theoretisch interessanten Bereich bei tausendfacher Erdfeldstärke überprüft werden. Wir verwenden dazu ein System, das aus einem Teilchen, dem Neutron, und einem makroskopischen Objekt, dem Spiegel, besteht, wobei die Phasebeziehung der deBrogliewelle präzise ausgemessen wird. Zum ersten Mal wird dabei, wie von uns vorgeschlagen, die Ramsey-Methode der oszillierenden Felder auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde oberhalb eines horizontalen Spiegels angewandt. Diese Messungen mit ultrakalten Neutronen erlauben es, 21 Größenordnungen unterhalb der Energieskala des Elektromagnetismus das Newtonsche Gravitationsgesetz zu überprüfen und nach hypothetischen kurzreichweitigen Kräften zu suchen. Dieser Ansatz untersucht einen Parameterraum, der komplementär zu anderen Methoden ausgerichtet ist.
Quantentechnologien erreichen höchste Präzision durch das Ausnutzen von Quanteninterferenzphänomenen. Sie finden vielfältige Anwendungen in Naturwissenschaft, Technik und Medizin. Insbesondere Resonanzspektroskopiemethoden ebneten den Weg für das Studium fundamentaler Wechselwirkungen im aktuellen und spannenden Forschungsgebiet der Niederenergieteilchenphysik. Eine Ausnahme bildet die Gravitation; hier konnten Experimente selten von Resonanzspektroskopiemethoden profitieren. Das liegt zum einen daran, dass es bisher keine Theorie der Quantengravitation gibt. Zum anderen stammen Beobachtungen der Gravitation im Wesentlichen aus astronomischen Betrachtungen oder Pendelexperimenten. Die untersuchten Testobjekte sind daher zumeist keine typischen Quantenobjekte. Zum Studium der Gravitation und kosmologischer Fragestellungen haben wir in den letzten Jahren eine neue Resonanzspektroskopiemethode entwickelt. Sie verbindet die beiden Themengruppen Gravitation und Quantenmechanik und erweitert die elektromagnetischen Verfahren von Purcell, Rabi und Ramsey auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde. In Anlehnung an die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) nennen wir die neue Technik Gravitationsresonanzspektroskopie (GRS). Dabei propagiert ein Neutron im Schwerefeld der Erde über einem Spiegel. Zustandsübergänge werden durch resonante Oszillationen des Spiegels ermöglicht. Bei der MRS-Technik hingegen wird ein magnetisches Moment eines Atoms, Moleküls, oder Nukleons in ein äußeres Magnetfeld platziert. Übergänge werden durch das Anlegen eines geeigneten Hochfrequenzfeldes erreicht. Wie bei der dreiteiligen Rabi-Apparatur für Moleküle haben wir ein dreiteiliges GRS-Experiment entwickelt, ohne in irgendeiner Form auf elektromagnetische Kräfte zurückzugreifen. Aufgrund der extrem kleinen Polarisierbarkeit des Neutrons minimiert dies systematische Effekte durch die Abwesenheit von van-der-Waals und Casimirkräften. Erstmals wurden resonante Übergänge von Quantenzuständen ultrakalter Neutronen im Gravitationsfeld der Erde beobachtet. Die hochpräzisen Messungen erlauben es, hypothetische gravitationsähnliche Kräfte und Felder bis 10-14 eV einzuschränken. Insbesondere lassen sich prinzipiell zwischen Einsteins kosmologischer Konstante und Quintessenztheorien differenzieren. Die Messungen beschränken den erlaubten Parameterraum eines solchen Feldes mit Materiekopplung um weitere fünf Größenordnungen verglichen mit anderen Methoden. Sie ermöglichen zudem zukünftig, solche Theorien auf lange Sicht komplett auszuschließen. Ein weiteres Beispiel stellt das Axionfeld dar, ein prominenter Kandidat für Dunkle Materie, der zu einer Spin-Massen-Kopplungen führt. Die Grenzen für ein Axionfeld werden um einen Faktor 30 verbessert.
- Technische Universität Wien - 100%
- Christian Plonka-Spehr, Johannes Gutenberg Universität Mainz - Deutschland
- Dirk Dubbers, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg - Deutschland
- Bastian Martin Märkisch, Technische Universität München - Deutschland
- Stephan Paul, Technische Universität München - Deutschland
- Torsten Soldner, ILL Neutrons for Society - Frankreich
- Peter Geltenbort, Institut Laue Langevin - Frankreich
- Stefan Baessler, Virginia State University - Vereinigte Staaten von Amerika
Research Output
- 924 Zitationen
- 33 Publikationen
-
2019
Titel Acoustic Rabi oscillations between gravitational quantum states and impact on symmetron dark energy DOI 10.48550/arxiv.1902.08775 Typ Preprint Autor Cronenberg G -
2012
Titel Gravitation and quantum interference experiments with neutrons DOI 10.1088/1367-2630/14/5/055010 Typ Journal Article Autor Abele H Journal New Journal of Physics Seiten 055010 Link Publikation -
2012
Titel Spectroscopy of Gravity. Typ Journal Article Autor Abele H Journal Scientific Highlight Article of the Annual Report 2011 of the Institute Laue-Langevin in Grenoble/France -
0
Titel A quantized frequency reference in the short-ranged gravity potential and its application for dark matter and dark engery searches. Typ Other Autor Abele H Et Al -
2024
Titel Determination of the Weak Axial Vector Coupling =g_{A}/g_{V} from a Measurement of the -Asymmetry Parameter A in Neutron Beta Decay DOI 10.7892/boris.49314 Typ Journal Article Autor Mund Link Publikation -
2015
Titel Neutron interferometry constrains dark energy chameleon fields DOI 10.1016/j.physletb.2015.02.063 Typ Journal Article Autor Lemmel H Journal Physics Letters B Seiten 310-314 Link Publikation -
2018
Titel Acoustic Rabi oscillations between gravitational quantum states and impact on symmetron dark energy DOI 10.1038/s41567-018-0205-x Typ Journal Article Autor Cronenberg G Journal Nature Physics Seiten 1022-1026 -
2019
Titel Proof of Principle for Ramsey-type Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce DOI 10.48550/arxiv.1908.09723 Typ Preprint Autor Sedmik R -
2019
Titel Proof of principle for Ramsey-type gravity resonance spectroscopy with qBounce DOI 10.1051/epjconf/201921905004 Typ Journal Article Autor Sedmik R Journal EPJ Web of Conferences Seiten 05004 Link Publikation -
2019
Titel Testing gravity at short distances: Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce DOI 10.1051/epjconf/201921905003 Typ Journal Article Autor Jenke T Journal EPJ Web of Conferences Seiten 05003 Link Publikation -
2014
Titel Experiments with Gravitationally-bound Ultracold Neutrons at the European Spallation Source ESS DOI 10.1016/j.phpro.2013.12.016 Typ Journal Article Autor Jenke T Journal Physics Procedia Seiten 67-72 Link Publikation -
2013
Titel Ultracold neutron detectors based on 10B converters used in the qBounce experiments DOI 10.1016/j.nima.2013.06.024 Typ Journal Article Autor Jenke T Journal Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detector Seiten 1-8 Link Publikation -
2012
Titel A quantized frequency reference in the short-ranged gravity potential and its application for dark matter and dark energy searches DOI 10.48550/arxiv.1208.3875 Typ Preprint Autor Jenke T -
2012
Titel Gravitation and quantum interference experiments with neutrons DOI 10.48550/arxiv.1207.2953 Typ Preprint Autor Abele H -
2012
Titel Determination of the Weak Axial Vector Coupling from a Measurement of the Beta-Asymmetry Parameter A in Neutron Beta Decay DOI 10.48550/arxiv.1204.0013 Typ Preprint Autor Mund D -
2012
Titel Methods and applications of gravity resonance spectroscopy within the qBounce experiment DOI 10.1088/1742-6596/340/1/012045 Typ Journal Article Autor Cronenberg G Journal Journal of Physics: Conference Series Seiten 012045 Link Publikation -
2014
Titel Vectorial velocity filter for ultracold neutrons based on a surface-disordered mirror system DOI 10.1103/physreve.89.032907 Typ Journal Article Autor Chizhova L Journal Physical Review E Seiten 032907 Link Publikation -
2014
Titel Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios DOI 10.1103/physrevlett.112.151105 Typ Journal Article Autor Jenke T Journal Physical Review Letters Seiten 151105 Link Publikation -
2011
Titel qBounce, the Quantum Bouncing Ball Experiment DOI 10.1016/j.phpro.2011.06.011 Typ Journal Article Autor Abele H Journal Physics Procedia Seiten 4-9 Link Publikation -
2011
Titel Gravitation unter dem Mikroskop. Typ Journal Article Autor Abele H Journal Spektrum der Wissenschaft, September -
2016
Titel Precision experiments with cold and ultra-cold neutrons DOI 10.1007/s10751-016-1352-z Typ Journal Article Autor Abele H Journal Hyperfine Interactions Seiten 155 Link Publikation -
2015
Titel Neutron Interferometry constrains dark energy chameleon fields DOI 10.48550/arxiv.1502.06023 Typ Preprint Autor Lemmel H -
2015
Titel Gravity experiments with ultracold neutrons and the qBounce experiment DOI 10.48550/arxiv.1510.03078 Typ Preprint Autor Jenke T -
2015
Titel A Gravity of Earth Measurement with a qBOUNCE Experiment DOI 10.48550/arxiv.1512.09134 Typ Preprint Autor Cronenberg G -
2013
Titel Determination of the Weak Axial Vector Coupling ?=gA/gV from a Measurement of the ß-Asymmetry Parameter A in Neutron Beta Decay DOI 10.1103/physrevlett.110.172502 Typ Journal Article Autor Mund D Journal Physical Review Letters Seiten 172502 Link Publikation -
2013
Titel Influence of the chameleon field potential on transition frequencies of gravitationally bound quantum states of ultracold neutrons DOI 10.1103/physrevd.87.105013 Typ Journal Article Autor Ivanov A Journal Physical Review D Seiten 105013 Link Publikation -
2014
Titel Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios DOI 10.48550/arxiv.1404.4099 Typ Preprint Autor Jenke T -
2014
Titel Measurement of the Axial-Vector Coupling Constant $g_A$ in Neutron Beta Decay DOI 10.48550/arxiv.1410.4220 Typ Preprint Autor Maerkisch B -
2010
Titel Ramsey’s method of separated oscillating fields and its application to gravitationally induced quantum phase shifts DOI 10.1103/physrevd.81.065019 Typ Journal Article Autor Abele H Journal Physical Review D Seiten 065019 Link Publikation -
2011
Titel Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique DOI 10.1038/nphys1970 Typ Journal Article Autor Jenke T Journal Nature Physics Seiten 468-472 Link Publikation -
2011
Titel Gravity Spectroscopy. Typ Conference Proceeding Abstract Autor Abele H Konferenz 2011 Gravitational Waves and Experimental Gravity, E. Augé, J. Dumarchez, J. Tran Thanh Van (eds), The Gioi Publishers, 2011 -
2011
Titel Probing the neutron’s electric neutrality with Ramsey spectroscopy of gravitational quantum states of ultracold neutrons DOI 10.1103/physrevd.84.036004 Typ Journal Article Autor Durstberger-Rennhofer K Journal Physical Review D Seiten 036004 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