Gravitation auf kurzen Abständen messen

Ein Neutron zwischen zwei Platten wechselt durch Vibration einer Platte den Quantenzustand.

Seit Jahrzehnten wird versucht, die Gravitation mit der Quantentheorie zu einer gemeinsamen Theorie aller Kräfte zu vereinen. So entstanden etwa verschiedene Stringtheorien. An der Technischen Universität (TU) Wien wurde nun ein Messverfahren entwickelt, mit dem sich solche Theorien im Labor testen lassen könnten. Die Wissenschaftler haben dazu das Prinzip der Resonanzspektroskopie, bei der ein Teilchen durch resonante Anregung den Quantenzustand wechselt, auf die Schwerkraft angewendet.

Durch die Gravitation ergeben sich für Neutronen verschiedene mögliche Quantenzustände. Allerdings ist es im Allgemeinen schwer, die Auswirkungen der Gravitation auf sehr kurzen Längenskalen zu messen, da ihr Verhalten von kurzreichweitigen elektrischen Kräften stark dominiert wird - etwa von Van der Waals- oder Casimirkräften. Den Forschern war es nun an ultrakalten Neutronen möglich, die Übergänge zwischen den Gravitations-Zuständen mit einer Resonanzmethode anzuregen und zu vermessen.

Abb.: Neutronen können im Schwerefeld der Erde zwischen zwei Platten unterschiedliche Quantenzustände einnehmen. Eine vibrierende Platte (unten) hebt sie von einem Zustand in den anderen, was eine eine hochpräzise Energiemessung erlaubt. (Bild: Florian Aigner, TU Wien)

An der Neutronenquelle des Instituts Laue-Langevin in Grenoble (ILL) gelang es den Physikern, den quantenphysikalischen Energie-Zustand der Neutronen zwischen zwei ebenen Platten genau festzulegen. Eine der Platten ließen sie mit einer präzise kontrollierten Frequenz vibrieren. Entspricht diese Frequenz genau der Energiedifferenz zwischen zwei Quantenzuständen, wird das Neutron dazu angeregt, in einen höheren Energiezustand zu wechseln. Durch Messung der Frequenz, bei welcher es zu diesem Übergang kommt, weiß man auch, welcher Energie-Unterschied zwischen den beiden Quantenzuständen besteht.

Durch diese Gravitations-Resonanzmethode lassen sich Theorien der Gravitation auf der Skala kleinster Entfernungen untersuchen. Bisher beschränkte sich die Erforschung der Schwerkraft auf makroskopische Entfernungen – oder gar auf astronomische Abstände.

TU Wien / MH