Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt 30. November 2022.

30. November 2022 – Die theoretische Beschreibung physikalischer Phänomene beruht auf einer grundlegenden Annahme: dass nämlich das Ergebnis eines Experiments nicht von seiner Ausrichtung in der Raumzeit abhängt. Einsteins Relativitätstheorie stützt sich in hohem Maße auf diese Annahme, und experimentelle Tests haben ihre Gültigkeit bisher bestätigt. Einige Theorien der Quantengravitation deuten jedoch darauf hin, dass diese Raumzeit-Symmetrie möglicherweise nicht vollständig gilt und eine kleine Verletzung experimentell beobachtet werden könnte. Ein Team der Forschungsgruppe QUEST 2 Quantenuhren und komplexe Systeme an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat nun mit einem einzelnen gefangenen Ytterbium-Ion nach einer solchen Verletzung der Lorentz-Symmetrie gesucht. Das Ergebnis: Trotz doppelt so hoher Genauigkeit wie beim bislang besten Test fand sich kein signifikanter symmetriebrechender Effekt. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Bereits vor mehr als einem Jahrhundert haben Michelson und Morley gezeigt, dass sich Licht mit einer festen Geschwindigkeit ausbreitet, unabhängig von der Ausbreitungsrichtung. Diese sogenannte Lorentz-Symmetrie wurde später zu einem grundlegenden Prinzip in Einsteins Relativitätstheorie. Diese Theorie beschreibt die Schwerkraft erfolgreich auf makroskopischer Ebene, doch es fehlt eine Erklärung für ihr Verhalten auf quantenmechanischer Ebene. Bei dem Versuch, eine quantenkonsistente Beschreibung der Schwerkraft zu geben, wurde vorgeschlagen, dass die Lorentz-Symmetrie nicht für alle Teilchen gilt, d. h. dass sich Teilchen je nach ihrer Ausbreitungsrichtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen könnten, obwohl sie die gleiche Energie haben. Obwohl dieser Effekt am stärksten bei hohen Energien vorhergesagt wurde, kann er bei Präzisionsexperimenten mit niedriger Energie beobachtet werden – wenn er denn existiert.

Um die Lorentz-Symmetrie mit noch nie dagewesener Präzision zu untersuchen, verwendete das PTB-Team ein einzelnes kaltes gefangenes Ytterbium-Ion. Die Elektronen des Ions bewegen sich in Orbitalen, die sich in Bezug auf ein statisches Magnetfeld ausrichten, das im Labor in einer festen Richtung angelegt wird. Ihre absolute Orientierung im Universum ändert sich aber mit der Drehung der Erde. „Wenn die Lorentz-Symmetrie gebrochen würde und die Geschwindigkeit des Elektrons von der absoluten Richtung seines Orbitals abhängt, würde der Energieunterschied zwischen zwei orthogonalen, also rechtwinklig zueinander angeordneten Orbitalen periodisch mit der Rotationsfrequenz der Erde (23,9345 Stunden) variieren“, erläutert Physikerin Laura Dreissen.

Um solche kleinen, durch die Lorentz-Symmetrie verursachten Energieverschiebungen zu beobachten, müssen die viel größeren, durch Umgebungsrauschen verursachten Energieverschiebungen unterdrückt werden. In diesem Experiment wurde eine neuartige Methode angewandt, die den Quantenzustand des Ions dynamisch so manipuliert, dass es unempfindlich gegenüber Rauschen wird, während es empfindlich gegenüber Effekten bleibt, die von einer hypothetischen Lorentz-Verletzung herrühren. Das Ion konnte mehrere Sekunden lang abgefragt werden, bevor es durch Rauschen beeinflusst wurde. Damit wurde eine Weltrekord-Empfindlichkeit für einen Lorentz-Symmetriebruch-Effekt erreicht. Um nach periodischen Signalen mit der Frequenz der Erdrotation zu suchen, wurden Daten über einen Zeitraum von mehr als fünf Wochen aufgenommen. In dem Datensatz wurde keine eindeutige Signatur gefunden, aber eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie konnte mit einer doppelt so hohen Genauigkeit wie beim vorherigen besten Test ausgeschlossen werden.

Für weitere Untersuchungen zur Gültigkeit der Lorentz-Symmetrie für Elektronen kann in Zukunft eine empfindlichere Messung durchgeführt werden, indem die Methode auf etwa 10 gefangene Ionen gleichzeitig angewendet wird.

Originalpublikation:
Laura Dreissen, Chih-Han Yeh, Henning Fürst, Kai Grensemann, Tanja Mehlstäubler: Improved bounds on Lorentz violation from composite pulse Ramsey spectroscopy in a trapped ion. Nature Communications 13, 7314 (2022).

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: IFW Dresden 11. November 2022.

11. November 2022 – Schwarze Löcher sind die extremsten Objekte im Universum. Sie vereinen so viel Masse auf so wenig Raum, dass sich nichts – nicht einmal Licht – ihrer Anziehungskraft entziehen kann. Das Verständnis Schwarzer Löcher ist der Schlüssel zur Enträtselung der grundlegendsten Gesetze, die den gesamten Kosmos bestimmen, weil sie ein Zusammenspiel von zwei der am besten untersuchten Theorien der Physik darstellen: Der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als Ergebnis der Verformung der Raumzeit durch massive Objekte beschreibt, und der Quantentheorie, die die Physik der kleinsten Größeneinheiten beschreibt. Um Schwarze Löcher vollständig zu beschreiben, müssten wir diese beiden Theorien zusammenfügen und eine Theorie der Quantengravitation entwickeln.

Um diesem Ziel näher zu kommen, sollten wir unser Augenmerk auf das richten, was aus Schwarzen Löchern entweicht, anstatt uns mit all dem zu befassen, was von ihnen verschluckt wird. Der sogenannte Ereignishorizont ist eine nicht überwindbare Zone, die jedes Schwarze Loch umgibt und aus der es kein Entrinnen gibt. Der britische Physiker Stephen Hawking entdeckte jedoch 1974, dass jedes Schwarze Loch aufgrund kleiner Quantenfluktuationen um seinen Horizont herum eine geringe Wärmestrahlung aussenden muss. Diese Strahlung ist bisher jedoch nie direkt nachgewiesen worden. Die Menge der Hawking-Strahlung, die von jedem Schwarzen Loch ausgeht, ist so gering, dass sie mit der heutigen Technologie nicht von der Strahlung aller anderen kosmischen Objekte unterschieden werden kann.

Alternativ könnten wir versuchen, den Mechanismus, der der Entstehung der Hawking-Strahlung zugrunde liegt, direkt hier auf der Erde zu untersuchen. Das haben sich Forschende des IFW Dresden und der Universität Amsterdam zur Aufgabe gemacht. Die Antwort auf die Frage, ob das grundsätzlich gelingen kann, ist ein begeistertes: „Ja, das funktioniert tatsächlich. Wir wollten die wirkungsvollen Werkzeuge der Physik der kondensierten Materie nutzen, um die unerreichbare Physik dieser unglaublichen Objekte zu ergründen: Schwarze Löcher“, sagt Lotte Mertens, die seit Januar 2021 im Rahmen ihrer binationalen Promotion am IFW Dresden zum Thema forscht.
Dazu untersuchte sie ein Modell, das auf einer eindimensionalen Kette von Atomen basiert, in der Elektronen von einem Atomplatz zum nächsten „hüpfen“ können. Die durch das Schwarze Loch verursachte Verformung der Raumzeit wird nachgeahmt, indem eingestellt wird, wie leicht die Elektronen zwischen den einzelnen Stellen springen sollen. Mit der richtigen Einstellung der Sprungwahrscheinlichkeit entlang der Kette verhält sich ein Elektron, das sich von einem Ende der Kette zum anderen bewegt, genau wie ein Stück Materie, das sich dem Horizont eines Schwarzen Lochs nähert. Und analog zur Hawking-Strahlung zeigt das Modellsystem Ausschläge, die sich genau so verhalten, als ob sie eine Temperatur hätten. Trotz des Fehlens der tatsächlichen Schwerkraft im Modellsystem gibt die Untersuchung dieses synthetischen Horizonts wichtige Aufschlüsse über die Physik der originalen Schwarzen Löcher. „Hawking-Strahlung tritt nur dann auf, wenn das Modellsystem zu Beginn keine räumliche Variation der Sprungwahrscheinlichkeiten aufweist und eine homogene Raumzeit imitiert, bevor es in ein System mit einem synthetischen Schwarzen Loch umgewandelt wird“, erklärt Mertens. „Das Auftreten von Hawking-Strahlung erfordert also eine Veränderung der Raumzeitverkrümmung.“

Die vorhergesagte Hawking-Strahlung setzt voraus, dass ein Teil der Kette jenseits des synthetischen Horizonts existiert. Dies bedeutet, dass die Existenz der Wärmestrahlung eng mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Verschränkung zwischen Objekten auf beiden Seiten des Horizonts verbunden ist. Die Forschenden fanden außerdem heraus, dass eine Hawking-Temperatur nur dann auftritt, wenn man eine ganz bestimmte räumliche Variation des Hüpfens einstellt. Dies könnte sogar Auswirkungen auf die allgemeine Relativitätstheorie haben: Wenn die Analogie gilt, gibt es demnach nur in bestimmten Gravitationssituationen ein thermisches Spektrum.

„Da unser Modell so einfach ist, kann es in einer Reihe von Versuchsaufbauten eingesetzt werden“, freut sich Lotte Mertens. Die Methodik zeigt, dass spezifische, schwer fassbare Phänomene des Universums durch genau konstruierte Materialsysteme beobachtet werden können. Die Erforschung Schwarzer Löcher mit Hilfe moderner Materialforschung im Labor bringt uns dem Verständnis des Zusammenspiels von Gravitation und Quantenmechanik einen Schritt näher.

Originalpublikation:
Lotte Mertens, Ali G. Moghaddam, Dmitry Chernyavsky, Corentin Morice, Jeroen van den Brink, and Jasper van Wezel, ‘Thermalization by a synthetic horizon’ Phys. Rev. Research 4, 043084
URL: Phys. Rev. Research 4, 043084 (2022) – Thermalization by a synthetic horizon (aps.org)
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.043084,
https://arxiv.org/abs/2206.08041, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.08041.

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