Atom-interferometrische Suche von Quellen dunkler Energie unter Schwerelosigkeit

Unser heutiges Verständnis des Universums fußt auf der Existenz unbekannter Energie- und Materieformen. Letztere sind keine Randerscheinungen, sondern tragen mit fast 70 % zur Energie- und etwas mehr als 25 % Prozent zur Massenbilanz des aktuellen Universums bei. Nachdem favorisierte Modelle in vielen Teilchenexperimenten bisher nicht bestätigt werden konnten, konzentriert sich die Suche auf neue Energiequellen.

Materiewelleninterferometrie ist besonders geeignet, mögliche Energieformen aufzuspüren, wie sie in kanonischen und nicht-kanonischen skalaren Feldern, die wegen ihrer speziellen Eigenschaften Chamäleon- oder Symmetronfelder genannt werden, gespeichert werden können. Die mit diesen Energiefeldern verbundenen Kräfte können nur im Vakuum unter kleinen Dichten einen messbaren Effekt hervorrufen. Neben Torsionswaagen eignen sich hierfür auch atominterferometrische Kraftsensoren.

Vorarbeiten und erste Grenzen mit Hilfe atominterferometrischer Messungen wurden insbesondere von unseren Kooperationspartnern Holger Müller und Sheng-wey Chiow im Jahre 2017 veröffentlicht.

Eine deutliche Erweiterung des Parameterbereichs kann mit Hilfe der Interferometrie mit kompakten, niederenergetischen Wellenpaketen, sogenannten Bose-Einstein Kondensaten (BEK) im freien Fall durch die längere Wechselwirkungszeit von einigen Sekunden sowie einer speziellen Testmasse erzielt werden.

Als Mikrogravitationsplattform ist hierfür insbesondere der Einstein-Elevator in Hannover von großem Interesse, da er eine hohe Wiederholrate der Experimente zulässt und somit systematische Untersuchungen ermöglicht. Ein solcher Vorschlag wurde in der Tat kürzlich von zwei der NASA Kooperationspartner in Phys. Rev, D 97, 044043 (2018) veröffentlicht und ist der Startpunkt der Machbarkeitsuntersuchung einer experimentellen Anordnung in DESIRE.

DESIRE schöpft also auf hervorragende Weise Synergien aus den einzigartigen Expertisen der Kooperationspartner. Diese erlauben, effizient eine Analyse der mit einer solchen Apparatur erreichbaren Sensitivität und somit der Stringenz eines derartigen Tests, der benötigten Adaptationen der Apparatur an die Messung sowie deren Integration in den Einstein-Elevator. Neben einer Umrüstung des BEK-Interferometers muss die Erneuerung und Erweiterung des Lasersystems, wie auch die Gestaltung der Testmasse untersucht und implementiert werden.