Unsere Forschung.
Sind die Fundamentalkonstanten der Natur wirklich konstant? Unser TIQTOC-Experiment (Trapped Ion Quantum Tests of Fundamental Constants) verwendet ultrapräzise Uhren auf Basis hochgeladener Ionen (HCI), um das herauszufinden. Wir können die Stabilität von Fundamentalkonstanten wie der Feinstrukturkonstante untersuchen, die elektromagnetische Wechselwirkungen bestimmt. Unser Ansatz vergleicht Uhren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten gegenüber diesen Konstanten. Jede Drift könnte auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen und möglicherweise Wechselwirkungen mit ultraleichter Dunkler Materie signalisieren. Um dies zu erreichen, sind wir an der Entwicklung eines robusten, störungsfreien Glasfasernetzwerks beteiligt, das Quantenuhren mit extrem hoher Präzision verbinden kann.
Die Gruppe untersucht auch, wie der Standort der Uhren (auf der Erdoberfläche oder auf Raumfahrzeugen oder Satelliten) und die Datenanalysetechnik optimiert werden sollten, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, Physik jenseits des Standardmodells zu entdecken.
Quantensensoren.
Quantensensoren sind Geräte, die die Eigenschaften der Quantenmechanik (z. B. Interferenz, Verschränkung) nutzen, um Messungen durchzuführen, die die Möglichkeiten klassischer Detektoren übertreffen. Die verwendeten Quantensysteme (z. B. Photonen, Spins, Atome, Ionen, Moleküle, Bose-Einstein-Kondensate) und die Methoden zur Zustandsmanipulation (z. B. Laser, elektromagnetische Wellen) variieren stark, und es bestehen enge Verbindungen zu Feldern wie Quantencomputing oder Metrologie.
Das Team.
Ein Team von Physikerinnen und Physikern mit vielfältigen Hintergründen arbeitet am DESY Zeuthen, an der Humboldt-Universität zu Berlin und am Max-Planck-Institut für Kernphysik am Bau von Quantengeräten, um nach neuer Physik zu suchen und die Grenzen dessen zu erweitern, was wir messen und entdecken können.
Verändern sich die Fundamentalkonstanten der Natur im Laufe der Zeit, und wie können wir das genau messen?
Zusammen mit unseren nationalen und internationalen Kooperationspartnern bauen wir ein (Dunkel-)Glasfasernetzwerk (QSNET) auf, um Uhren zu vergleichen und festzustellen, ob sich die Fundamentalkonstanten der Natur tatsächlich im Laufe der Zeit verändern.
Personen und Kontakt.
MitarbeiterSteven Worm (Gruppenleiter)
Cigdem
Issever (Leiterin Teilchenphysik)
Ullrich
Schwanke (leitender Wissenschaftler)
Yang Yang
Christian Warnecke
Filipe Grilo
Lakshmi Kozhiparambil
Luis Hellmich
Jonas Kankel
Nutan Kumari Sah
Wir bieten Bachelor- und Masterarbeiten im Zusammenhang mit Uhrenprojekten an.
Wir sind immer offen für neue Kooperationen und Diskussionen.
Was wir am TIQTOC-Experiment des CQTA machen.
Zeitmessungen, Laser, Teilchenfallen und die Frage, was die Welt im Innersten zusammenhält.
Es gibt viele Möglichkeiten, mit Atomen und Molekülen nach Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. (Weitere Informationen finden Sie in diesem Übersichtsartikel.) Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung moderner Uhren, die auf Atomen (Atomuhr), Ionen oder Molekülen basieren. Sie ermöglichen sehr hochpräzise Zeitmessungen, indem ein Laser auf Übergangsenergien in den jeweiligen Systemen stabilisiert wird. Diese Energieübergänge hängen jedoch von den Eigenschaften und Konstanten des bisher am besten getesteten und genauesten Modells der fundamentalen Wechselwirkungen der Natur ab: dem Standardmodell der Teilchenphysik.
Die Uhrenfrequenz wird durch einen elektronischen Übergang (Uhrenübergang) zwischen einem Grundzustand (im linken Diagramm als g bezeichnet) und einem angeregten Zustand e im Atom, Ion oder Molekül definiert. Übergangsenergien (und damit die Rate, mit der eine bestimmte Uhr tickt) sind empfindlich gegenüber zeitlichen Variationen von Fundamentalkonstanten wie der Feinstrukturkonstante α oder dem Elektron-zu-Proton-Massenverhältnis μ. Wie im linken Diagramm dargestellt, könnte sich eine Variation solcher Konstanten als Drift der Uhrenfrequenz zeigen. Eine Wechselwirkung der Uhrenteilchen mit Dunkle-Materie-Teilchen könnte ein oszillatorisches Verhalten der Uhrenfrequenz hervorrufen (mittleres Diagramm); die Oszillationsfrequenz wird durch die Masse der Dunkle-Materie-Teilchen bestimmt. Es könnte auch transiente Phänomene geben (rechtes Diagramm), wenn die Erde z. B. auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne auf eine variierende Dunkle-Materie-Dichte trifft.
Uhrenvergleiche und Netzwerke.
Im Allgemeinen kann eine zeitabhängige Änderung der Uhrenfrequenz nur im Vergleich mit anderen Uhren erkannt werden. Solche Vergleiche nutzen die Tatsache, dass verschiedene Uhrentypen unterschiedlich auf eine Änderung von α oder μ reagieren. Molekulare Uhren (z. B. N2+) basieren auf Vibrationsmoden und sind daher nur empfindlich gegenüber μ, während atomare und Ionenuhren auch eine Abhängigkeit von α aufweisen.
Es ist ein gängiger Ansatz, Uhren über dedizierte Glasfaserkabel zu verbinden, wie es für bis zu sieben Uhren im QSNET-Projekt geplant ist.
Uhren mit hochgeladenen Ionen.
Hochpräzise Uhren basieren auf Vibrationsmoden von Molekülen (Molekularuhr) oder elektronischen Übergängen in Atomen oder Ionen (Atom- oder Ionenuhr). Sogenannte Uhren mit hochgeladenen Ionen (HCI-Uhren) gelten als besonders empfindliche Instrumente bei der Suche nach ultraleichten Dunkle-Materie-Teilchen, da die äußeren Elektronen näher am Kern sind und stark von relativistischen Korrekturen beeinflusst werden.
Unser TIQTOC-Experiment am CQTA forscht an HCI-Uhren auf Basis des Elements Californium. Eine Californium-Uhr ist eine von bis zu sieben Uhren im geplanten QSNET-Uhrennetzwerk.
Eine HCI-Uhr besteht typischerweise aus einer Quelle zur Erzeugung von Ionen (z. B. einer EBIT (Elektronenstrahlfalle)), einer Strahlführung zur Auswahl des richtigen Ladungszustands, einer Teilchenfalle zur Speicherung der Ionen und Lasern zum Kühlen und Manipulieren der gespeicherten Ionen. Das Bild zeigt unsere EBIT.
Das QSNET-Projekt.
Das QSNET in Großbritannien, einschließlich der University of Birmingham (UoB), des National Physical Laboratory (NPL), des Imperial College London (ICL) und der University of Sussex (UoS).
Das QSNET-Projekt ist ein zukünftiges Netzwerk von bis zu sieben Uhren im südlichen Großbritannien (vgl. Tabelle unten). Die Uhren verwenden Atome, Ionen und Moleküle; zwischen 100 und 106 Teilchen werden in Fallen gehalten und definieren die Uhrenfrequenz mit Hilfe eines geeigneten elektronischen Übergangs. Die Uhrenfrequenz wird auf einen Laser übertragen und die codierte Information kann über dedizierte Glasfaserkabel an einen anderen Standort gesendet werden. Auf diese Weise können Frequenzverhältnisse verschiedener Uhrenpaare als Funktion der Zeit mit einer Rate von etwa 1 Hz gemessen werden.
Jede Variation des Frequenzverhältnisses kann ein Hinweis auf eine Variation von Fundamentalkonstanten wie der Feinstrukturkonstante α und dem Elektron-zu-Proton-Massenverhältnis μ sein. Verschiedene Uhren reagieren voraussichtlich unterschiedlich auf eine Variation von α und μ. Die obige Tabelle listet die sogenannten Empfindlichkeitskoeffizienten Kα und Kμ für die verschiedenen Uhren auf. Ein zehnmal größeres Kα bedeutet eine zehnmal bessere Empfindlichkeit, eine α-Variation zu finden. Bei der Kombination zweier Uhren ist die Gesamtempfindlichkeit proportional zur Differenz der Kα-Faktoren der Uhren (und analog für Kμ).
Die lokale Gruppe ist am Bau der Californium-Ionen-Uhren (Cf15+ und Cf17+), an der Erforschung geeigneter Datenanalysemethoden und an der physikalischen Reichweite des Projekts beteiligt. Weitere Informationen finden Sie im QSNET White Paper, dem auch die obige Abbildung entnommen wurde.
Teilchenfallen, Laser und Frequenzkämme.
Hochpräzise Uhren auf Basis von Atomen, Ionen (mehr) oder Molekülen sind empfindliche Geräte bei der Suche nach ultraleichten Dunkle-Materie-Teilchen. Die fortschrittlichsten Uhren speichern 100 bis 106 Teilchen in geeigneten Fallen. Moderne Lasertechnologie wird verwendet, um die Teilchen zu kühlen und abzufragen. Für den eigentlichen Betrieb als Uhr werden Laser auf die Frequenz langlebiger elektronischer Übergänge (Uhrenübergänge) stabilisiert. Die Laserfrequenz wird dann mit Hilfe von Frequenzkämmen gemessen.
Die obige Abbildung (entnommen aus diesem Übersichtsartikel) veranschaulicht das Messprinzip am Beispiel eines einzelnen Ytterbium-Ions (171Yb+). Das Ion wird in einer Ionenfalle gehalten und gekühlt, um Effekte wie die Doppler-Verbreiterung zu minimieren. Zwei Laser bei 436 nm und 467 nm werden auf zwei verschiedene elektronische Übergänge (einen elektrischen Quadrupol- (E2) und einen elektrischen Oktopolübergang (E3)) stabilisiert. Die beiden Übergangsfrequenzen werden als Funktion der Zeit mit einem optischen Femtosekunden-Frequenzkamm gemessen. Jede Zeitabhängigkeit des Verhältnisses der beiden Frequenzen könnte ein Hinweis auf eine Zeitabhängigkeit von Fundamentalkonstanten oder eine Wechselwirkung mit Dunkler Materie sein.
Im Fall des Ytterbium-Ions nutzt der Frequenzvergleich zwei Übergänge im selben Ion. Konzeptionell könnte einer der Übergänge ein Übergang in einem anderen Uhrentyp sein, der sich weit entfernt befindet. Ein Frequenzvergleich ist dann immer noch möglich, wenn das Lasersignal der entfernten Uhr über z. B. Glasfaserkabel zum lokalen Frequenzkamm übertragen wird. Ein solches Uhrennetzwerk ist im Rahmen des QSNET-Projekts geplant.
Sensitivitätsstudien und Datenanalyse.
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt das sichtbare Universum erfolgreich, muss aber erweitert werden, um Dunkle Materie zu erklären, die geheimnisvolle Substanz, die etwa 85 % der Materie im Kosmos ausmacht. Eine besonders faszinierende Möglichkeit ist ultraleichte Dunkle Materie mit Teilchenmassen zwischen 10-22 eV/c2 und 10-10 eV/c2. Diese schwer fassbaren Teilchen könnten mit Fundamentalkonstanten der Natur wechselwirken und winzige Oszillationen verursachen, die nur von den präzisesten verfügbaren Messgeräten nachweisbar sind: Quantenuhren. Die Phänomenologie solcher Wechselwirkungen ist bemerkenswert reichhaltig (mehr) und bietet vielfältige Wege zur Entdeckung. Am CQTA untersuchen wir, welche Dunkle-Materie-Kopplungen unsere Uhrenexperimente nachweisen oder einschränken können, entwickeln optimale Datenanalysetechniken, um die schwächsten Signale aus dem Rauschen zu extrahieren, und erforschen, wie Netzwerke synchronisierter Uhren die Empfindlichkeit gegenüber diesen kosmischen Flüstern erhöhen können, die Physik jenseits des Standardmodells offenbaren könnten.
Die obige Abbildung zeigt das Ergebnis einer Simulationsstudie, bei der Californium-Uhren verwendet wurden, um die Kopplung eines hypothetischen skalaren Dunkle-Materie-Feldes an das elektromagnetische Feld einzuschränken. Es wurde angenommen, dass das Dunkle-Materie-Feld φ 100 % der lokalen Dunkle-Materie-Dichte (0,4 GeV/cm3) ausmacht und dass seine Kopplung an das elektromagnetische Feld linear in φ ist. Die rote Kurve zeigt die kleinste Kopplung, die auf dem 5σ-Niveau (lokale Signifikanz) in einer Suche nachgewiesen werden kann, die 1 Jahr QSNET-Daten und das Lomb-Scargle-Periodogramm zur Datenanalyse verwendet. Die grüne Kurve wurde dem QSNET White Paper entnommen und gibt das durchschnittlich erwartete Limit an.
