Schwerkraft von ultrarelativistischer Materie
Neuer Test zur Überprüfung von Einsteins Gravitationstheorie am Large Hadron Collider.
Ein Forschungsteam des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen und des Instituts für Theoretische Physik der Universität Tübingen hat einen innovativen Ansatz entwickelt, um die Grenzen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu testen. Sie schlagen vor, diese Untersuchung mithilfe des Large Hadron Colliders (LHC) am Cern durchzuführen.
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Testlabor für die Relativitätstheorie
Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) stößt zusammen mit dem Standardmodell der Teilchenphysik an ihre Grenzen. Auf der einen Seite gibt es Beobachtungen, wie die beschleunigte Ausdehnung des Universums oder die Bewegung von Sternen am Rand von Galaxien, die nur dann mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen und erklärt werden können, wenn man annimmt, dass unbekannte Komponenten im Universum existieren, die wir dunkle Energie und dunkle Materie nennen. Andererseits sagt die ART voraus, dass die Gravitationskraft in bestimmten Regionen des Universums unendlich stark wird, so dass es bis heute nicht möglich ist, Einsteins Gravitationstheorie mit allen anderen Kräften der Natur in Einklang zu bringen. Beim Verständnis der Gravitation bleiben also viele Fragen offen, die Physikerinnen und Physiker weltweit dazu antreiben, nach einer Erweiterung oder Modifikation der ART zu suchen, die die bis heute unerklärten Phänomene der Gravitation erklärbar macht.
Nun schlagen Christian Pfeifer und Dennis Rätzel vom ZARM sowie Daniel Braun von der Universität Tübingen vor, die Eigenschaften der Gravitation mit Teilchen zu testen, deren Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Diese ultrarelativistischen Teilchen erzeugen ein Gravitationsfeld, welches ruhende Testteilchen, an denen sie vorbeifliegen, anzieht. Die Bewegung der Testteilchen kann theoretisch vorhergesagt und mit der beobachteten Bewegung verglichen werden, so dass die Testteilchen als Sensoren für die Gravitation genutzt werden können.
Das Besondere an dem hier vorgeschlagenen Experiment ist, dass die Gravitationsanziehung, die von den ultrarelativistischen Teilchen erzeugt wird, hauptsächlich durch die sehr hohe Geschwindigkeit – also ihre sehr hohe kinetische Energie – und nicht durch die Ruhemassenenergie der Teilchen entsteht. Das Experiment misst also, wie die Gravitation der kinetischen Energie aussieht. Stimmt sie mit den Vorhersagen der ART überein oder gibt es Abweichungen? In einem mathematischen Modell, das auf einer Modifikation der ART beruht, haben die Forscher die Beschleunigung des Testteilchens und den Impulstransfer durch die Gravitation der vorbeifliegenden ultrarelativistischen Teilchen rechnerisch vorhergesagt.
Die Ergebnisse zeigen, dass es einen Parameterbereich gibt, in dem der vom Modell berechnete Impulstransfer signifikant von den Vorhersagen der ART abweicht. Diese Abweichung nimmt mit steigender Geschwindigkeit des ultrarelativistischen Teilchenstroms zu. Das Besondere ist, dass dieses Experiment sogar praktisch durchgeführt werden könnte, und zwar mit Hilfe des Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider) am Cern. Dort werden Protonen auf rund 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Was für das Experiment noch fehlt, sind Testteilchensensoren, die rund um die Beschleunigungsröhre des LHC angebracht werden und auf das Gravitationsfeld der Protonen reagieren. Die technischen Details für die Installation solcher Sensoren werden derzeit untersucht.
ZARM / JOL
