Bahnbrechendes Experiment der UC Berkeley treibt Suche nach Dunkler Energie voran

BerlinPhysiker der UC Berkeley haben das präziseste Experiment zur Entdeckung von Dunkler Energie durchgeführt. Diese Kraft lässt das Universum schneller expandieren. Wissenschaftler suchen nach neuen Teilchen, die dafür verantwortlich sein könnten, und vermuten, dass diese Teilchen Chameleons oder Symmetronen genannt werden.

Das neue Experiment ist aus mehreren Gründen bedeutsam:

• Es kombiniert ein Atominterferometer für präzise Schwerkraftmessungen mit einem optischen Gitter.
• Das Interferometer hält freifallende Atome für Sekunden anstelle von Millisekunden fest.
• Es erzielt eine fünffache Verbesserung der Präzision im Vergleich zu früheren Methoden.

Physiker schafften es, Atome für bis zu 70 Sekunden in Ruhe zu halten, was helfen könnte, die Schwerkraft auf sehr kleiner Skala zu untersuchen. Holger Müller, Physikprofessor an der UC Berkeley, betont die Bedeutung dieser Erkenntnis mit den Worten: „Schwerkraft könnte quantenmechanisch sein. Wir brauchen Tests, um das zu beweisen.“

Präzisionsmessungen der Schwerkraft sind nicht das einzige Ziel dieser Arbeit. Der Gitter-Atominterferometer kann auch verwendet werden, um:

• Kreiselinstrumente zu bauen
• Beschleunigungsmesser zu entwickeln
• Quantensensorik zu ermöglichen

Cristian Panda, der Hauptautor und Postdoktorand, erklärt, dass diese Methode auch auf See anwendbar ist. Sie könne den Meeresboden kartographieren, weil sich Atome nicht bewegen.

1998 begannen Wissenschaftler, nach der dunklen Energie zu suchen. Zwei Forscherteams untersuchten Supernovae, um deren Entfernung zu messen. Sie stellten fest, dass das Universum sich schneller ausdehnte als erwartet. Diese Entdeckung brachte ihnen 2011 den Nobelpreis für Physik ein.

Dunkle Energie bleibt trotz zahlreicher Theorien ein Rätsel:

• Vakuumenergie des Weltraums
• Ein Energiefeld namens Quintessenz
• Eine fünfte Kraft, vermittelt durch ein Chamäleonpartikel

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2015 modifizierte Müller ein Atominterferometer, um nach Chamäleons zu suchen. Dabei nutzten sie Cäsiumatome in einer Vakuumkammer. Die Experimente ergaben jedoch eine unveränderte Gravitation.

Das Ziel des neuen Experiments ist es, Atome länger stabil zu halten. Während der COVID-19-Pandemie verlängerte Panda die Haltezeit auf 70 Sekunden. Er behob Probleme wie das Zittern des Laserstrahls und passte die Temperatur an. Diese Änderungen wurden in der Juni-Ausgabe 2024 von Nature Physics veröffentlicht.

In einem kürzlich durchgeführten Experiment vergrößerten sie den Abstand der Atomwellenpakete, indem sie die Haltezeit verkürzten. Sie verteilten etwa 10.000 Cäsiumatome in Gruppen von je 10 Atomen mithilfe eines optischen Gitters. Anschließend teilten sie diese Atomwellenpakete in Quantensuperpositionen auf. Als sie die Wellenpakete wieder zusammenführten, erhielten sie Informationen über die Gravitation.

Panda plant die Entwicklung eines neuen Geräts an der University of Arizona. Müllers Team arbeitet an einem neuen Interferometer mit verbesserten Steuerungen, das möglicherweise 100 Mal empfindlicher sein könnte. Ihr Ziel ist es, Quantenaspekte der Schwerkraft zu identifizieren.

Dieses Experiment könnte von großer Bedeutung sein. Sollte es erfolgreich sein, wäre es vergleichbar mit der Studie zur Photonverschränkung von 1972 an der UC Berkeley. Stuart Freedman und John Clauser erhielten 2022 für ihre Arbeit den Nobelpreis.

Dieses Projekt wird von mehreren Organisationen unterstützt, darunter die National Science Foundation, das Office of Naval Research und das Jet Propulsion Laboratory. Die Co-Autoren stammen von verschiedenen Universitäten weltweit, was den Teamgeist hinter dieser bedeutenden Forschungsarbeit hervorhebt.