Quantentest der Universalität des freien Falls von Kalium und Rubidium mit bisher unerreichter Genauigkeit

Die Physik des 20. Jahrhunderts hat zwei zentrale Theorien hervorgebracht: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die unser Verständnis der Gravitation liefert, und die Quantenmechanik, welche die Physik auf kleinsten Längenskalen erklärt. Obwohl beide Theorien separat mit großartiger Präzision bestätigt wurden, gibt bis heute keine geschlossene Theorie der "Quantengravitation". Eine der faszinierendsten Fragen der modernen Physik besteht deshalb heutzutage darin, eine sogenannte "Weltformel" zu formulieren. Diverse theoretische Szenarien sagen bei diesem Versuch Verletzungen einzelner Stützpfeiler der allgemeinen Relativitätstheorie, zum Beispiel der Universalität des freien Falls (UFF), voraus. Diese besagt, dass zwei Körper am selben Raumzeitpunkt unabhängig von ihrer Zusammensetzung in einem Gravitationsfeld identisch beschleunigt werden. Aufgrund ihrer zentralen Rolle existieren eine Vielzahl
von Tests der UFF. Hierbei liegen die besten erzielten Ungenauigkeiten bei Verwendung makroskopischer Testmassen in der Größenordnung 10^-13. Quantenmechanische Tests, die auf Interferenz von Materiewellen beruhen, bieten einen komplementären Ansatz, welcher anderer Systematik unterliegt und es wird erwartet, dass diese Klasse von Experimenten zukünftig Ungenauigkeiten von 10^-13 und darüber hinaus erreichen wird.

Im Rahmen dieses Projekts wird ein Experiment zur Universalität des freien Fall von Rubidium und Kalium mit verbesserter Präzision realisiert, um die derzeit existierende Sensitivitätslücke zu klassischen Experimenten mit innovativen Methoden als wichtige Vorarbeit für zukünftige Experimente auf langen Basislinien und im Weltraum zu
schließen. Die geplanten Arbeiten zielen sowohl auf Verbesserungen der Stabilität des Systems als auch auf dessen
Genauigkeit ab. Hierzu sollen einerseits Schemata zur effizienten Rauschunterdrückung im Zwei-Spezies-
Interferometer entwickelt werden, die auf der Korrelation der Interferometer und der Zuhilfenahme eines
Breitbandseismometers beruhen. Mithilfe dieser Methoden eröffnen sich Wege zu Langzeitstabilitäten
in der Größenordnung von 10^-11. Andererseits sind Verbesserungen der Apparatur um den erstmaligen
Einsatz einer optischen Dipolfalle als Quelle für die Inertialsensorik zentriert. Die genaue Kontrolle der
atomaren Ensembles und ihrer Temperaturen stellen hier die Grundvoraussetzung für systematische Unsicherheiten auf einem Niveau weniger Teile in 10^9 und darüber hinaus dar und ebnen den Weg zu einem neuen Rekord im Sektor der Quantentests der UFF.

Laufzeit: 15 Monate