Eine neue, von Neutronenforschern entwickelte Technik ist so empfindlich, dass damit Quanteneffekte der Gravitation gemessen werden könnten. Geringfügige Abweichungen von den Newtonschen Gesetzen könnten beweisen, ob Dunkle Materie oder die zusätzlichen Dimensionen der Stringtheorie wirklich existieren.

Teilchenphysiker der Technischen Universität Wien und des Instituts Laue-Langevin (ILL) haben eine neue Technik, die Schwerkraft-Resonanz-Spektroskopie, entwickelt, bei der ultra-kalte Neutronen entlang eines Spiegels hin und her prallen, um ihre verschiedenen Quantenenergiezustände zu beobachten. Die Forscher können die Neutronen in höhere Quantenzustände anheben, indem sie den Spiegel mit bestimmten Frequenzen schwingen lassen.
Dies ist die erste Resonanzspektroskopiemethode, die keine elektromagnetischen Kräfte, Felder oder Potenziale zur Anregung dieser Übergänge verwendet. Ihr Erfolg ist ein bedeutender Schritt, Schwerkraftwechselwirkungen bei sehr kurzen Entfernungen zu modellieren und nach vorhergesagten winzigen Abweichungen von der reinen Newtonschen Gravitation zu suchen.

Die in Nature Physics veröffentlichten Forschungsergebnisse könnten auch das Äquivalenzprinzip überprüfen, ein Gesetz aus dem 16-ten Jahrhundert, das besagt, dass die Schwerkraft alle Gegenstände gleichmäßig beschleunigt, unabhängig von ihrer Masse. Dies wurde 1971 vom Apollo-Astronaut Dave Scott in einem berühmten Experiment auf dem Mond vorgeführt, als er einen Hammer und eine Feder fallen ließ und Millionen zu Hause sehen konnten, wie beide gleichzeitig auf dem Boden ankamen. Die Forscher hoffen nun, mit dieser neuen Technik die Genauigkeit dieses Prinzips erstmals auf atomarer Ebene zu überprüfen.

Die beobachtbaren Schwerkrafteffekte sieht man üblicherweise nur im Großen, wo sie die Bewegung von Sternen und Planeten bestimmen, während Quantenmechanik im Wesentlichen nur auf atomarer Ebene eine Rolle spielt.

„In dieser winzigen Welt ist die Gravitationskraft so schwach, dass es schwierig ist, ihre Quanteneffekte zu beobachten“, erklärt Prof. Hartmut Abele vom Institut für Atomare und Subatomare Physik in Wien. „Diese Effekte mit Atomen zu messen ist extrem schwierig, weil sie durch kurzreichweitige elektrische Kräfte wie Van-der-Waals- oder Casimir-Kräfte gestört werden. Mit den ultra-kalten Neutronen am ILL, die keine Ladung tragen, sich sehr langsam bewegen und extrem unempfindlich für elektrische Störungen sind, können wir jedoch diese Effekte äußerst genau messen.“
Prof. Abele, Tobias Jenke und Wissenschaftler vom ILL bedienten sich einer äußerst genauen Resonanzspektroskopie, die üblicherweise für elektromagnetische Wechselwirkungen verwendet wird, und nutzten sie erstmals zur Messung von Gravitation. Ihre Arbeit vervollkommnet die Forschungsmethode mit ultra-kalten Neutronen und Spiegeln, um Quantengravitationswechselwirkungen zu beobachten, die zuerst 2002 ebenfalls am weltweit führenden Neutronenforschungsstandort ausgedacht wurden[1]. In dieser neuen Forschungsarbeit induzierten Prof. Abele und seine Gruppe mechanisch Übergänge zwischen diesen verschiedenen Energiezuständen mit einem oszillierenden Feld, erzeugt von Schwingungen des eingebauten Spiegels mit einer ganz bestimmten Frequenz.

Mit dieser Technik können Forscher künftig die Energien der verschiedenen Quantenzustände eines Neutrons im Schwerefeld der Erde viel genauer berechnen.
Dr. Peter Geltenbort, Physiker am ILL und Mitarbeiter in diesem Forschungsprojekt: „Mit ultra-kalten Neutronen konnten wir 2002 erstmals die verschiedenen energetischen Quantenzustände des Neutrons im Schwerefeld der Erde beobachten. Nun können wir mit dieser Technik jedem dieser Zustände eine Energie mit unglaublicher Genauigkeit zuweisen. Dies ist ein wesentlicher Durchbruch für alle, die die grundlegende Natur der Schwerkraft verstehen wollen, und vereint die Physik der atomaren mit der unserer eigenen Welt.“

Manche Physiker glauben, dass eine genauere Messung dieser Energien einen geringfügigen Unterschied zu den auf der Grundlage des Newtonschen Gravitationsgesetzes berechneten aufdecken wird. Sie sagen vorher, dass die Entdeckung und Quantifizierung dieses Unterschieds Hinweise geben wird auf die Axione genannten Teilchen der Dunklen Materie oder auf die Extradimensionen der Stringtheorie.
„Während Neutronen eine wertvolle Ressource für angewandte Forschung darstellen, zeigt Prof. Abeles Forschung ihre Bedeutung bei der Erforschung der elementarsten Gesetze unserer Natur. Durch unser fortlaufendes Modernisierungsprogramm Millennium verbessert das ILL ständig seine Möglichkeiten zur Unterstützung in der Grundlagen- und angewandten Forschung auf Weltniveau“, sagt Andrew Harrison, wissenschaftlicher Direktor am Institut Laue-Langevin.

Hinweise für die Redaktion

Re.: Nature Physics online, 17 April 2011

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1.    Am ILL brachten Forscher 2002 über einem horizontalen Spiegel in geringem Abstand einen Neutronenabsorber an, um ihre ultra-kalten Neutronen mit einem Aufwärtswinkel hineinzuschießen. Der Absorber schluckte auftreffende Neutronen, deren vertikale Energie über einem bestimmten Wert lag, während die mit weniger Energie von der verspiegelten Oberfläche unterhalb und der abwärts gerichteten Schwerkraft eingefangen wurden.

Diese ‚Neutronenfalle’ erzeugte diskrete Energiebänder, was bedeutet, dass nur Neutronen mit einer bestimmten vertikalen Geschwindigkeit, die einer ihrer spezifischen energetischen Quantengravitationszuständen entsprach, schließlich am Detektor ankamen. Beim Verändern der Höhe des Absorbers über dem Spiegel beobachteten die Forscher stufenartige Zuwächse an nachgewiesenen Neutronen, entsprechend den verschiedenen Quantenenergiezuständen des Neutrons.   Nature, Band 415, 2002, S.297-299

2.   Über das Institut Laue-Langevin (ILL)
Das Institut Laue-Langevin ist ein internationales Forschungszentrum  im französischen Grenoble. Seit den ersten Experimenten im Jahr 1972 ist es führend auf dem Gebiet der Neutronenstreuungsforschung und -technologie. Das ILL beherbergt eine der stärksten Neutronenquellen der Welt, von der Neutronenstrahlen zu 40 umliegenden, hochkomplexen Instrumenten geleitet werden, die ständig modernisiert und überarbeitet werden. Jährlich besuchen 1.200 Wissenschaftler aus mehr als 40 Ländern das ILL, um Forschungsarbeiten auf den Gebieten Physik der kondensierten Materie, Chemie, Biologie, Kernphysik und Materialwissenschaft durchzuführen. Deutschland ist zusammen mit Frankreich und Großbritannien Partner und Hauptfinancier des ILL.

3.   Über das Institut für Atomare und Subatomare Physik in Wien – Das Institut für Atomare und Subatomare Physik wurde 1958 als zwischenuniversitäres Institut für alle österreichischen Universitäten gegründet und begann 1962 seinen Betrieb, als der Forschungsreaktor TRIGA Mark II des Instituts offiziell eröffnet wurde. Es war der Forschung und Übung auf den Gebieten Atom-, Kern- und Reaktorphysik, Strahlenphysik, Strahlenschutz, Umweltanalytik, Radiochemie, Kernmessverfahren und Festkörperphysik gewidmet. Inzwischen kamen Quantenphysik, Quantenoptik, Tieftemperaturphysik und Supraleitung als weitere Forschungsschwerpunkte hinzu. Von Beginn an war die Technische Universität Wien Verwaltungsorgan des Instituts, das jedoch seinen Status als rechtlich unabhängige Einheit über drei Jahrzehnte behielt. Heute ist das Atominstitut eines von vier Physikalischen Instituten der Technischen Universität Wien und bildet zusammen mit den Instituten für Theoretische, Allgemeine und Festkörperphysik die Fakultät Physik unserer Universität.