2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Der Bogen eines supersensitiven spiralförmigen Pico-Newton-Kraftsensors.
Physiker aus den Niederlanden und Frankreich haben einen supersensiblen Kraftsensor geschaffen, mit dessen Hilfe Labortests der Hypothese vom "Chamäleon"-Ursprung der Dunklen Energie eine neue Ebene erreichen. Ihr Artikel, der in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht und im E-Print-Archiv veröffentlicht wurde, beschreibt die Parameter des Sensors und das Potenzial des Experiments.
Eines der wichtigsten Merkmale des modernen physikalischen Weltbildes ist der Zusammenhang zwischen Phänomenen, die auf ganz unterschiedlichen Skalen auftreten. Dunkle Materie und dunkle Energie, die unser Universum auf galaktischem Maßstab regieren, erweisen sich in kleinsten Abständen als mit der Struktur der Mikrowelt verbunden. Und es stellt sich heraus, dass dieser Zusammenhang in supersensiblen Laboranlagen überprüft werden kann, deren Dimensionen viele Größenordnungen von der Welt der Elementarteilchen und von galaktischen Skalen entfernt sind.
Eine der Richtungen dieser Forschung ist die Suche nach neuen Arten von Wechselwirkungen zwischen makroskopischen Körpern. Das sind hypothetische Kräfte, die weder auf elektromagnetische Wechselwirkungen noch auf die Schwerkraft reduziert werden, noch natürlich auf schwache und starke Wechselwirkungen, die nur im nuklearen Maßstab wirken – sondern etwas völlig Neues darstellen. Wenn eine solche "fünfte Kraft" experimentell entdeckt wird, wird es eine wahrhaft revolutionäre Entdeckung sein. Zahlreiche Experimente, um das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation zu testen, in der Hoffnung, Abweichungen davon in Submillimeter-Abständen zu finden, stammen nur aus dieser Reihe.
"Fünfte Kräfte" können mit dem Mikrokosmos oder umgekehrt mit der Entwicklung des Universums in Verbindung gebracht werden. 2004 wurde beispielsweise die Theorie des sogenannten "Chamäleonfeldes" vorgeschlagen. Es wurde Chamäleon genannt, weil seine Eigenschaften in Abhängigkeit von der materiellen Umgebung, in der wir es untersuchen, zu mutieren scheinen. Im Vakuum führt dieses Feld zu weitreichenden Kräften; insbesondere kann es dunkle Energie und die Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums sein. Aber in dichter Materie kann es mit einem Einflussradius in der Größenordnung von einem Millimeter oder weniger zu einer kurzen Reichweite werden (mehr zu dieser Theorie finden Sie in einem kürzlich erschienenen Review von Justin Howry).
Es stellt sich heraus, dass die Kraft, die durch die Wirkung des Chamäleonfeldes zwischen den beiden Körpern entsteht, wie eine verzerrte Schwerkraft aussieht. Im Vakuum ist es kaum von echter Schwerkraft zu unterscheiden, aber wenn der Raum zwischen den Körpern mit Materie gefüllt ist, wird seine Stärke schwächer. Alle üblichen Laborexperimente zur Überprüfung des Newtonschen Gravitationsgesetzes werden im Vakuum durchgeführt und sind zur Überprüfung dieser Theorie nicht geeignet. Dazu sollten die Körper in eine gasförmige Umgebung gebracht werden, aber herkömmliche Installationen wie ein Torsionspendel werden unter solchen Bedingungen nicht funktionieren.
Schema des Spiralsensors.
Dafür wird seit einigen Jahren das Cannex-Experiment entwickelt. Das Schlüsselelement des Setups wird ein neu entwickelter hochempfindlicher mechanischer Sensor sein; es wurde in einem neulich veröffentlichten Artikel beschrieben. Der Sensor ist eine dünne Spiralstruktur, die aus einem Siliziumwafer lasergeschnitten wird. Diese Spirale hält den zentralen Bereich etwa einen Zentimeter groß. Hinter dem Sensor befindet sich eine feste Metallplatte, die zusammen mit dem Mittelteil einen Kondensator bildet. Die auf den Mittelteil wirkende Kraft drückt ihn aus der Membranebene und verändert die Kapazität des Kondensators geringfügig, und er wird bereits mit sehr hoher Genauigkeit gemessen.
Die resultierende Federung erwies sich als so empfindlich, dass Sie die Kraft von nur 0,1 Piconewton spüren können. Zum Vergleich: Ein auf der Waage liegendes Sandkorn drückt mit zigmillionenfacher Kraft darauf. In diesem Fall wird die Platte selbst nur um 1 Pikometer aus der Membranebene verschoben, was hundertmal kleiner ist als die Größe eines Atoms. Trotzdem wird selbst eine so winzige Verschiebung vom Sensor registriert.
Regionen auf der Parameterebene der Chamäleontheorie. Die grauen Bereiche werden von früheren Experimenten abgedeckt; die blauen Bereiche können das Cannex-Experiment schließen.
Die Autoren berechnen das, indem sie die Wechselwirkung zwischen zwei Platten mit einer Fläche von 1 Quadratmeter messen. cm in einem Abstand von mehreren zehn Mikrometern wird der Sensor in der Lage sein, die gegenwärtigen experimentellen Beschränkungen der Stärke der Chamäleon-Wechselwirkung um mehrere Größenordnungen deutlich zu verbessern. Die bestehenden Beschränkungen wurden übrigens vor einem Jahr mit Hilfe von ultrakalten Neutronen erreicht, was ein weiteres Beispiel für den Zusammenhang zwischen Mikrowelt, Laborexperimenten und Phänomenen universellen Ausmaßes ist. Merkwürdig ist auch, dass dieses Chamäleonfeld im Gegensatz zu anderen hypothetischen Kräften nicht beliebig schwach sein kann, da es theoretisch für dunkle Energie verantwortlich ist. Daher besteht in Zukunft die Möglichkeit, vollständig zu überprüfen - d.h. bestätigen oder komplett schließen - dieses Modell. Darüber hinaus wird der neue Sensor weitere hochempfindliche Messungen ermöglichen, vom Casimir-Effekt in großen Entfernungen bis hin zur Seismometrie, die die Fähigkeiten der bisherigen Installationen überstiegen.
