Neues Werkzeug soll "peinliches Problem" der dunklen Materie lösen
Ein "peinliches Problem" der Physik rückt seiner Lösung näher: Forschern ist ein Durchbruch in der Jagd nach der mysteriösen Dunklen Materie gelungen. Ein neuartiges Atominterferometer verspricht, wichtige winzige Signale um das 1000-fache zu verstärken.
Falls Dunkle Materie mit normaler Materie interagiert, wären diese Wechselwirkungen extrem schwach. Um solch subtile Kräfte zu messen, sind hochsensible Instrumente nötig. Hier kommt das neu entwickelte Messinstrument der Northwestern University ins Spiel, das auf die Technik der Atominterferometer aufbaut, die 1991 aufkamen.
Im Herzen des Geräts schwebt eine Wolke kalter Strontium-Atome. Diese werden in einen quantenmechanischen Superpositionszustand versetzt - ihre Wellenfunktion, die eine Art "Wahrscheinlichkeitswolke" für den Aufenthaltsort der Atome beschreibt, wird aufgespalten, sodass sie sich in einer Überlagerung zweier Zustände befinden. Laserpulse manipulieren diese Quantenzustände, lenken sie entlang unterschiedlicher Pfade und führen sie wieder zusammen. Das resultierende Interferenzmuster offenbart kleinste Kräfte, die auf die Atome während dieses Prozesses gewirkt haben.
Doch auf atomarer Ebene kann selbst ein einzelnes Photon alles durcheinanderbringen. "Nach etwa 10 Pulsen war das Signal einfach weg", beschreibt Physiker Timothy L. Kovachy die Grenze bisheriger Atominterferometer. Sein Team fand einen Ausweg: Eine ausgeklügelte Sequenz von Laserimpulsen, optimiert durch maschinelles Lernen, korrigiert Fehler von selbst.
Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie (Robust Quantum Control via Multipath Interference for Thousandfold Phase Amplification in a Resonant Atom Interferometer) zeigt: Statt 10 sind nun 500 Laserimpulse möglich. Diese 50-fache Verbesserung eröffnet neue Perspektiven für die Grundlagenforschung.
Der Atominterferometer könnte jetzt empfindlich genug sein, um die schwachen Spuren der Dunklen Materie aufzuspüren. Er eignet sich potenziell auch zur Detektion von Dunkler Energie und Gravitationswellen in bisher unerforschten Frequenzbereichen. Damit rückt die Lösung eines der größten Rätsel der modernen Physik in greifbare Nähe.
Siehe auch:
Neues Gerät soll kosmisches Geheimnis entschlüsseln
Die Suche nach Dunkler Materie stellt die Wissenschaft seit Jahrzehnten vor enorme Herausforderungen. Obwohl sie nach unseren gängigen Theorien etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht, konnte sie bisher nicht direkt nachgewiesen werden - ihre Existenz wird nur durch ihre gravitativen Effekte auf sichtbare Materie und Licht erschlossen.Falls Dunkle Materie mit normaler Materie interagiert, wären diese Wechselwirkungen extrem schwach. Um solch subtile Kräfte zu messen, sind hochsensible Instrumente nötig. Hier kommt das neu entwickelte Messinstrument der Northwestern University ins Spiel, das auf die Technik der Atominterferometer aufbaut, die 1991 aufkamen.
Im Herzen des Geräts schwebt eine Wolke kalter Strontium-Atome. Diese werden in einen quantenmechanischen Superpositionszustand versetzt - ihre Wellenfunktion, die eine Art "Wahrscheinlichkeitswolke" für den Aufenthaltsort der Atome beschreibt, wird aufgespalten, sodass sie sich in einer Überlagerung zweier Zustände befinden. Laserpulse manipulieren diese Quantenzustände, lenken sie entlang unterschiedlicher Pfade und führen sie wieder zusammen. Das resultierende Interferenzmuster offenbart kleinste Kräfte, die auf die Atome während dieses Prozesses gewirkt haben.
Doch auf atomarer Ebene kann selbst ein einzelnes Photon alles durcheinanderbringen. "Nach etwa 10 Pulsen war das Signal einfach weg", beschreibt Physiker Timothy L. Kovachy die Grenze bisheriger Atominterferometer. Sein Team fand einen Ausweg: Eine ausgeklügelte Sequenz von Laserimpulsen, optimiert durch maschinelles Lernen, korrigiert Fehler von selbst.
Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie (Robust Quantum Control via Multipath Interference for Thousandfold Phase Amplification in a Resonant Atom Interferometer) zeigt: Statt 10 sind nun 500 Laserimpulse möglich. Diese 50-fache Verbesserung eröffnet neue Perspektiven für die Grundlagenforschung.
Lösung für "peinliches Problem"
Kovachy betont die Dringlichkeit: "Dunkle Materie ist gewissermaßen ein peinliches Problem. Es ist eine seltsame Dichotomie (ein Widerspruch innerhalb eines Gedankens), denn die gewöhnliche Materie, der wir im Alltag begegnen, verstehen wir extrem gut. Aber die macht nur 15 Prozent der Materie im Universum aus."Der Atominterferometer könnte jetzt empfindlich genug sein, um die schwachen Spuren der Dunklen Materie aufzuspüren. Er eignet sich potenziell auch zur Detektion von Dunkler Energie und Gravitationswellen in bisher unerforschten Frequenzbereichen. Damit rückt die Lösung eines der größten Rätsel der modernen Physik in greifbare Nähe.
Zusammenfassung
- Neues Atominterferometer verstärkt Signale der Dunklen Materie
- Dunkle Materie vermutlich 85 Prozent der Materie im Universum
- Gerät nutzt kalte Strontium-Atome in Superpositionszustand
- Laserpulse manipulieren Quantenzustände für Interferenzmuster
- Maschinelles Lernen optimiert Laserimpulse zur Fehlerkorrektur
- Statt 10 sind nun 500 Laserimpulse möglich - 50-fache Verbesserung
- Instrument könnte auch Dunkle Energie und Gravitationswellen aufspüren
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