Die Physik in der Region, in der die Quantentheorie auf die Schwerkraft trifft, wird durch neue Forschungen zum Zusammenhang zwischen dem intrinsischen Spin eines Teilchens und dem Gravitationsfeld der Erde erforscht.
Zwei theoretische Säulen bilden die Grundlage unseres Verständnisses der Physik. Die erste davon ist die Quantenfeldtheorie, die die Grundlage des Standardmodells der Teilchenphysik bildet. Die zweite ist die allgemeine Relativitätstheorie, mit der Einstein festlegte, wie die Schwerkraft funktioniert. Beide Säulen haben eine Reihe strenger Tests bestanden und eine Vielzahl von Vorhersagen wurden hervorragend bestätigt. Ihre offensichtliche Diskrepanz weist jedoch auf eine grundlegendere Wahrheit hin. Der Mangel an Studien, die Ereignisse im Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Schwerkraft untersuchen, macht es schwierig, diese Theorien in Einklang zu bringen.
Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dong Sheng und Zheng-Tian Lu von der University of Science and Technology of China (USTC) diese Lücke geschlossen, indem sie eine hochempfindliche Suche nach Wechselwirkungen zwischen dem intrinsischen Quantenspin eines Teilchens und dem Gravitationsfeld der Erde durchgeführt haben . Obwohl keine Beweise für diese Wechselwirkung gefunden wurden, hat die Forschung zu wichtigen Einschränkungen geführt, die Auswirkungen auf den Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums sowie auf die Existenz spekulativer Naturkräfte haben.
Dank Diracs Integration der Quantenphysik mit der speziellen Relativitätstheorie ist der intrinsische Spin im Wesentlichen eine reine Quantenform des Drehimpulses, an der der physikalische Spin eines Teilchens nicht beteiligt ist. Im Gegensatz dazu wird zur Erklärung von Gravitationsfeldern die Allgemeine Relativitätstheorie verwendet, eine klassische Theorie, die nur den Drehimpuls beschreibt, der aus der Rotation großer, schwerer Objekte resultiert. Welche Beziehung besteht zwischen Quantenspin und Gravitationsfeld? Diese Frage ist noch unbeantwortet.
Das USTC-Team hat ein äußerst empfindliches Experiment durchgeführt, um festzustellen, ob die mit dem Spin eines Atomkerns verbundene Energie von der Ausrichtung des Spins in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde abhängt.
Betrachten Sie den entsprechenden Fall eines Kernspins in einem Magnetfeld: Das magnetische Moment des Spins bewirkt, dass seine Energie von der Richtung des Spins relativ zum Feld abhängt. Der Zeeman-Effekt, der sowohl der Magnetresonanztomographie (MRT) als auch der Kernspinresonanz zugrunde liegt, ist ein Phänomen. Dies führt zu einer Präzession, einer bestimmten Frequenz, die als Larmorfrequenz bekannt ist und dazu führt, dass Spins, die von der Achse des Magnetfelds abgewinkelt sind, wie ein Kreisel wackeln. Wenn es eine Spin-Schwerkraft-Kopplung gibt, werden die Spins ebenfalls in einer Gravitationsumgebung präzediert.
Im Gravitationsfeld der Erde würden sich die Spins mit einer Frequenz von etwa 10 nHz drehen, wenn die Schwerkraft die Kraft, die sie auf die Masse ausübt, direkt auf den Spin übertragen würde.
Diese Zahl beträgt fast ein Tausendstel der täglichen Rotationsrate unseres Planeten und ist 10 Milliarden Mal kleiner als die übliche nukleare Larmorfrequenz im Erdmagnetfeld. Diese Gegensätze verdeutlichen die enormen Herausforderungen, vor denen das USTC-Team steht. Um eine mögliche Spin-Schwerkraft-Wechselwirkung zu identifizieren, war es besonders wichtig, die systematischen Ungenauigkeiten zu verstehen und genau zu regulieren, die durch Magnetfelder und gyroskopische Ereignisse im Zusammenhang mit der Erdrotation verursacht werden.
Die vom USTC-Team verwendete Methode nutzte ein spinpolarisiertes Gas, das aus Xenon-129- und Xenon-131-Isotopen bestand. In einem angelegten Magnetfeld maßen die Forscher gleichzeitig die Kernspin-Präzessionsfrequenzen der beiden Isotope.
Um systematische Fehler durch Kreiseleffekte zu reduzieren, wurde die Richtung dieses Feldes sorgfältig parallel zur Rotationsachse der Erde ausgerichtet. Durch die Aufteilung der beiden Präzessionsfrequenzen konnte das Team die Auswirkungen des Magnetfelds endgültig aufheben. Dieses Frequenzverhältnis wurde überwacht, während die Richtung des Magnetfelds wiederholt geändert wurde, und die Unterschiede zwischen den Verhältnissen für die beiden verschiedenen Feldrichtungen wurden berechnet. Dieser Unterschied ist erster Ordnung proportional zum Ausmaß der Präzession, die durch nichtmagnetische Faktoren wie das durch die Schwerkraft auf die Spins ausgeübte Drehmoment verursacht wird. Nach sorgfältiger Prüfung der Daten fanden die Forscher keine Hinweise auf eine Spin-Schwerkraft-Wechselwirkung.
Aufgrund der Struktur der Xenon-129- und Xenon-131-Kerne reagiert das USTC-Experiment besonders empfindlich auf die Schwerkraft, um Neutronenspins zu binden. Die Messungen stellten die stärkste Einschränkung für jegliche intrinsische Spinkopplung mit der Schwerkraft dar. Die ermittelte Neutronengrenze reduziert die bisherigen Beschränkungen um das 17-fache und übertrifft die Elektronen- und Protonenbeschränkungen um das 400- bzw. 6000-fache. Das Experiment reagiert empfindlich auf Spinpräzessionsfrequenzen, die hundertmal niedriger sind als die Rotationsgeschwindigkeit der Erde.
Es ist unmöglich, den Unterschied zwischen der Spin-Schwerkraft-Wechselwirkung, nach der das USTC-Experiment sucht, und einer weitreichenden Kraft zu erkennen, die durch ein seltsames Boson wie ein Axion vermittelt wird.
Eine vernünftige Möglichkeit zur Erklärung der Dunklen Materie ist die Aktion, ein hypothetisches Teilchen, das durch zahlreiche theoretische Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt wird. Frühere Beschränkungen der Stärke bestimmter Axion-vermittelter Kräfte sowie schwerwiegende Einschränkungen, die aus astrophysikalischen Daten ermittelt wurden, wurden durch die USTC-Ergebnisse deutlich übertroffen.
Von besonderem Interesse ist, dass das USTC-Experiment eine Spin-Schwerkraft-Wechselwirkung untersucht, die bei Spiegelung der Koordinatenachsen über dem Ursprung von den symmetriekorrespondierenden Grundsymmetrien Parität (P) und Zeitumkehr (T) abweicht [6]. Der Quantenfeldtheorie zufolge brechen Wechselwirkungen, die die T-Symmetrie verletzen, auch die kombinierte CP-Symmetrie, wobei C Ladungskonjugation oder Umwandlung eines Teilchens in ein Antiteilchen bedeutet.
Die Entstehung des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum ist ein langjähriges physikalisches Rätsel, und das fehlende Teil ist eine derzeit nicht identifizierte Ursache für CP-Verletzungen. Untersuchungen zu CP-verletzenden Effekten in der Neutrinophysik sowie zu permanenten elektrischen Dipolmomenten von Elektronen und anderen fundamentalen Teilchen, die CP verletzen, wurden durch dieses Rätsel vorangetrieben. Die Untersuchung von Spin-Schwerkraft-Wechselwirkungen ist aufgrund der Möglichkeit, dass die Schwerkraft die CP-Symmetrie verletzen könnte, viel anspruchsvoller geworden.
Wichtige theoretische Arbeiten, die kurz nach der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie durch Einstein begannen, zeigten, dass die Theorie durch die Einbeziehung des inneren Spins in ihr Rahmenwerk grundlegend geändert werden konnte.
Analog kann davon ausgegangen werden, dass Gravitationseffekte auf den Bahndrehimpuls gleichermaßen Auswirkungen auf den Spin haben, da der Eigenspin letztlich eine Form des Drehimpulses ist.
Diese Idee stellt ein herausforderndes Experiment dar. Der Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge bewegen sich große rotierende Massen bei ihrer Rotation mit der Raumzeit. Gyroskope werden durch diese Bilddrift gedrückt, die beispielsweise bei der Expedition Gravity Probe B beobachtet wurde. Die Empfindlichkeit des USTC-Experiments ist noch viele Größenordnungen von der Erkennung der durch Framedrift verursachten Spinpräzession entfernt. Es gibt jedoch empirische Hinweise darauf, dass ein solcher Test in Zukunft möglich sein könnte.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/80
📩 17/05/2023 11:35