Verbundprojekt QUANTUS-V-Fallturm: Untersuchung der Eigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten unter Schwerelosigkeit und Entwicklung von Methoden für die Atominterferometrie; Teilprojekt 1

Abstract

Präzisionsmessungen sind Wegbereiter für fundamentale Durchbrüche in der Physik. Spektroskopische Messungen führten zur Entwicklung der Quantenmechanik und die Relativitätstheorie wurde mit aufwendigen astronomischen Beobachtungen bestätigt. Die Verbindung dieser Grundpfeiler der Physik ist bis heute unklar und benötigt neue Impulse. Die erstaunliche Beobachtung, dass die Fallbeschleunigung beliebiger Körper im Vakuum identisch ist, findet Ihren physikalischen Ausdruck in der Äquivalenz von schwerer und träger Masse. Mit der Atominterferometrie steht unter Ausnutzung quantenmechanischer Effekte eine neue Methode Beschleunigungen zu messen zur Verfügung. Frei fallende Materiewellen werden mit Licht manipuliert und zur Interferenz gebracht. Das resultierende Muster wird analysiert, wobei die eingehenden Skalenfaktoren allesamt sehr gut bekannt sind und heutzutage mit Freifalldauern von 200 ms bereits eine Präzision von < 10−10 g nach Integration erreicht werden kann. Da die Präzision quadratisch mit der Dauer des freien Falls skaliert, ist die Motivation groß, hier Zeiten jenseits von Sekunden zu erreichen und so bisher unerreichte Präzisionen zu demonstrieren. Die QUANTUS-Verbundprojekte verfolgen seit 2004 die Entwicklung von Technologien und Modellen zur Anwendung von Atominterferometrie unter Schwerelosigkeit im Bremer Fallturm sowie auf Forschungsraketen. Im Fallturm konnte mit QUANTUS-1 bereits unter Verwendung der magnetischen Linse die Ausdehnung eines ultrakalten Materiewellenpaketes über die Dauer von 2 s beobachtet und ein Rubidium Interferometer mit einer Interferometriedauer von 675 ms demonstriert werden. Mit der QUANTUS-2 Apparatur konnten die Studien zur Reduzierung der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Rubidium-BEC im Fall- sowie Katapultbetrieb wesentlich vorangetrieben werden. Das Projekt zielt auf die Durchführung von Tests der UFF im Fallturm und die dazu nötige Untersuchung von Kontrollmöglichkeiten, innovativen Interferometrieschemata und potentiellen Herausforderungen der Materiewelleninterferometrie auf langen Zeitskalen ab. Hiermit wird die ultimative Leistungsfähigkeit von Materiewelleninterferometrie unter optimalen Bedingungen erforscht. Diese Untersuchungen bilden zusätzlich zu ihrem wissenschaftlichen Nutzen zusammen mit den MAIUS-Missionen und BECCAL den Grundstein für einen Präzisionstest der UFF mit Quantenzuständen im Weltraum. Das Vorhaben dient auch der bilateralen deutsch-amerikanischen Kooperation auf der ISS. Grundlage ist ein gemeinsamer Experimentvorschlag von Mitgliedern des Projektes QUANTUS-V und US Wissenschaftlern verschiedener Institutionen. Dieser wurde von der NASA im Wettbewerb 2014 ausgewählt und wird seitdem von ihr gefördert. Daher sind die Forschungsziele des Verbundprojektes QUANTUS-V Fallturm von großer Bedeutung für das NASA Cold Atom Laboratory (CAL) auf der ISS. Verbundprojektpartner kooperieren mit Wissenschaftlern, die Forschung mit CAL durchführen, bzw. die hierfür benötigten Methoden entwickeln. Datei-Upload durch TIB