QuantumFrontiers Erfolgsgeschichten: Tests der Grundlagenphysik – QuantumFrontiers

Achtzigmal genauere Messungen

Verglichen mit dem Stand der Technik zu Beginn von QuantumFrontiers im Jahr 2019 wurde die obere Grenze für die Drift der Feinstrukturkonstante α um fast zwei Größenordnungen (80x) verbessert. Dieser aktuelle Rekord auf einem Niveau von 1,8(2,5)x10^–19/Jahr wurde durch Frequenzvergleiche zwischen empfindlichen optischen Uhren erreicht [2]. Diese Messungen verbessern gleichzeitig die Einschränkungen hinsichtlich einer möglichen Verletzung der lokalen Positionsinvarianz (LPI) und die Grenze für nicht-gravitative Kopplungen zwischen ultraleichten Dunkle-Materie-Kandidaten und normaler Materie um mehr als eine Größenordnung [2, 3], sowie topologischer Dunkler Materie [4]. Diese Ergebnisse werden durch Größenordnungen schärferer Grenzen für die Kopplung von leichter Dunkler Materie an Materie, die durch das Gravitationswellen-Detektor GEO600 [5] etabliert wurden, ergänzt. Wir haben die strengsten spektroskopischen Grenzen für eine mögliche 5. Kraft, die Elektronen und Neutronen koppelt, unter Verwendung der Isotopenverschiebungsspektroskopie von Ca14⁺/Ca⁺ und Yb/Yb⁺ gemessen [6].

Und beste Tests der Universalität des freien Falls

Bezüglich der Gravitation haben Forschende von QuantumFrontiers die besten quanten- und klassischen Tests der Universalität des freien Falls (UFF) etabliert, indem Atominterferometrie mit zwei Spezies [7] sowie klassische Teilchen im Rahmen der MICROSCOPE-Kollaboration [8] verwendet wurden. Darüber hinaus wurde die Grenze der lokalen Lorentz-Invarianz (LLI) im Elektron-Photon-Sektor durch Vergleiche unterschiedlicher Orientierungen von Elektronenorbitalen um mehr als zwei Größenordnungen verbessert [9, 10]. Wir haben Interferometer-Konfigurationen entwickelt, um die Universalität der gravitativen Rotverschiebung und des freien Falls mittels Atominterferometrie mit Uhrenzuständen zu testen [11], die in der VLBAI-Atomfontäne implementiert werden sollen. Darüber hinaus haben wir konzeptionelle Innovationen für das Testen alternativer Relativitätstheorien und die Bewertung der Gravitationsfelder von Quantenobjekten (z. B. Nanopartikeln) eingeführt [12–14], wodurch eine robuste Grundlage für die weitere Erforschung von Gravitationsphänomenen geschaffen wurde.

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über die Erfolge von QuantumFrontiers

Beteiligte Topical Groups

Optical Clocks in Networks

Publikationen

Literaturliste

[1] V. V. Singh, J. Müller, et int, C. Lämmerzahl. Equivalence of Active and Passive Gravitational Mass Tested with Lunar Laser Ranging.
Phys. Rev. Lett. 131. doi:10.1103/physrevlett.131.021401 (2023).

[2] M. Filzinger, S. Dörscher, et int, N. Huntemann. Improved Limits on the Coupling of Ultralight Bosonic Dark Matter to Photons from Optical Atomic Clock Comparisons.
Physical Review Letters 130. doi:10. 1103/physrevlett.130.253001 (2023).

[3] A. Banerjee, D. Budker, et int, M. Safronova. Oscillating nuclear charge radii as sensors for ultralight dark matter.
arXiv: 2301.10784 [hep-ph] (2023).

[4] B. M. Roberts, P. Delva, et int, P. Wolf. Search for transient variations of the fine structure constant and dark matter using fiber-linked optical atomic clocks.
New Journal of Physics 22, 093010. doi:10.1088/1367- 2630/abaace (2020).

[5] S. M. Vermeulen, P. Relton, et int, H. Wittel. Direct limits for scalar field dark matter from a gravitational-wave detector.
Nature 600, 424–428. doi:10.1038/s41586-021-04031-y (2021). page 82 of 120 4 Research Programme

[6] M. Door, C.-H. Yeh, et int, T. E. Mehlstäubler. Search for new bosons with ytterbium isotope shifts.
arXiv: 2403.07792 [physics.atom-ph] (2024).

[7] H. Albers, A. Herbst, et int, D. Schlippert. Quantum test of the Universality of Free Fall using rubidium and potassium.
The European Physical Journal D 74. doi:10.1140/epjd/e2020-10132-6 (2020).

[8] P. Touboul, G. Métris, et int, P. Visser. MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle.
Physical Review Letters 129. doi:10.1103/physrevlett.129.121102 (2022).

[9] C. Sanner, N. Huntemann, et int, S. G. Porsev. Optical clock comparison for Lorentz symmetry testing.
Nature 567, 204–208. doi:10.1038/s41586-019-0972-2 (2019)

[10] L. S. Dreissen, C.-H. Yeh, et int, T. E. Mehlstäubler. Improved bounds on Lorentz violation from composite pulse Ramsey spectroscopy in a trapped ion.
Nature Commun. 13. doi:10.1038/s41467-022-34818-0 (2022).

[11] C. Ufrecht, F. Di Pumpo, et int, E. Giese. Atom-interferometric test of the universality of gravitational redshift and free fall.
Physical Review Research 2. doi:10.1103/physrevresearch.2.043240 (2020).

[12] P. H. Morais, I. P. Lobo, et int, V. B. Bezerra. Modified particle lifetimes as a signature of deformed relativity.
Physics Letters B 848, 138380. doi:10.1016/j.physletb.2023.138380 (2024).

[13] F. Spengler, D. Rätzel, D. Braun. Perspectives of measuring gravitational effects of laser light and particle beams.
New Journal of Physics 24, 053021. doi:10.1088/1367-2630/ac5372 (2022).

[14] R. Barzel, M. Gündoğan, et int, C. Lämmerzahl. Entanglement dynamics of photon pairs and quantum memories in the gravitational field of the earth.
Quantum 8, 1273. doi:10.22331/q-2024-02-29-1273 (2024).

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