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Task Group | Quantum Test of the Equivalence Principle

Innenansicht des Fallturms in Bremen mit einer typischen Abwurfkapsel. Foto: ZARM Universität Bremen

Eines der großen Rätsel auf dem Gebiet der fundamentalen Physik ist die Vereinigung von Gravitation und Quantenmechanik. Vielversprechende Theorien erlauben Szenarien, die das Äquivalenzprinzip modifizieren könnten. Es postuliert die Gleichheit der trägen und der schweren Masse und führt zu einer universellen Fallrate für alle Körper, unabhängig von ihrer Zusammensetzung. Die Welleneigenschaften von Materie sind eines der faszinierendsten Phänomene der Quantenmechanik. Die Ausdehnung von Materiewellen unter dem Einfluss der Gravitation kombiniert Elemente der Gravitation und der Quantenmechanik. Die Task Group „Quantum Test of the Equivalence Principle“ entwickelt Methoden, um Materiewellen für Präzisionsmessungen wie die der universellen Ausdehnung unter dem Einfluss der Schwerkraft zu nutzen.

Die Wissenschaftler können sehr effizient kohärente Materiewellen aus den Isotopen von Kalium und Rubidium formen und mithilfe von Materiewellen- Interferometern die Ausdehnung dieser Wellen sehr genau auf wenige Billionstel der Erdbeschleunigung vergleichen. Dies wird den ersten Quantentest des Äquivalenzprinzips durch den hochgenauen Vergleich der Evolution zweier Materiewellen darstellen. Die Empfindlichkeit sollte sich dabei durch die Ausdehnung der Dauer des freien Falls noch deutlich steigern lassen.

Die Forscher bereiten daher weiterführende Experimente im Fallturm und sogar im Weltraum vor. Ein erster Schritt, diese Herausforderung zu meistern, ist die Demonstration der Bose-Einstein-Kondensation unter den Bedingungen des ausgedehnten freien Falls mithilfe einer im Rahmen des Projektes QUANTUS (Quantengase unter Schwerelosigkeit) entwickelten Apparatur im 146 Meter hohen Fallturm in Bremen.

Beteiligte Forschungsbreiche und Institute

  • Forschungsbereich Quanten-Engineering
  • Forschungsbereich Quantensensoren
  • Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
  • Albert Einstein Institute, Hannover
  • Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig
  • Institut für Erdmessung, Hannover