Gilt bisher als unmöglich:
Forscher wollen Gravitonen-Detektor bauen

Physiker wollen mit modernster Technik erneut etwas schaffen, dass bisher als unerreichbares Ziel galt: Sie wollen mit einem Detektor erstmals einzelne Gravitonen einfangen - während bisher noch nicht einmal klar ist, ob es diese wirklich gibt.

Hypothetische Teilchen

Diese hypothetischen Teilchen gelten als Träger der Gravitationskraft und sind ein zentraler Baustein einer bislang fehlenden Theorie der Quantengravitation. Federführend ist der Physiker Igor Pikovski vom Stevens Institute of Technology, der gemeinsam mit internationalen Partnern nun einen konkreten experimentellen Ansatz entwickelt.

Seit Jahrzehnten steht die moderne Physik vor einem grundlegenden Widerspruch. Einerseits beschreibt die Quantentheorie die Natur als Zusammenspiel diskreter Teilchen und Energiequanten. Allerdings erklärt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation als kontinuierliche Krümmung von Raum und Zeit. Beide Theorien funktionieren hervorragend in ihren jeweiligen Bereichen, lassen sich jedoch nicht widerspruchsfrei vereinen. Eine echte Vereinigung würde erfordern, dass auch die Gravitation quantisiert ist - vermittelt durch Gravitonen.


Genau hier lag bisher das Problem: Gravitonen galten als prinzipiell nicht messbar, da sie extrem schwach mit Materie wechselwirken. Entsprechend blieb die Quantengravitation ein rein theoretisches Feld. Pikovski und sein Team zeigten jedoch bereits 2024, dass diese pessimistische Einschätzung nicht mehr zwingend gilt. Neue technologische Entwicklungen eröffnen jetzt experimentelle Möglichkeiten, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren.

Zwei Fortschritte spielen dabei eine Schlüsselrolle. Zum einen ist seit der ersten direkten Messung von Gravitationswellen bewiesen, dass Schwingungen der Raumzeit selbst registriert werden können. Auch dies galt lange als quasi unmöglich. Zum anderen hat die Quantenphysik enorme Fortschritte in der Kontrolle makroskopischer Systeme gemacht. Forschende sind heute in der Lage, vergleichsweise schwere Objekte auf ihren quantenmechanischen Grundzustand herunterzukühlen und einzelne Energiequanten präzise zu messen.

Konzept steht

Die Idee der Forscher sieht nun so aus: Trifft eine starke Gravitationswelle, etwa von kollidierenden Schwarzen Löchern, auf ein ausreichend massives Quantensystem, könnte sie genau ein Energiequant übertragen. Dieses entspräche einem einzelnen Graviton. Zwar ist der Effekt gering, doch prinzipiell messbar, wenn Masse und Empfindlichkeit groß genug sind.

Mit Unterstützung der W. M. Keck Foundation arbeiten Pikovski und der Yale-Physiker Jack Harris indessen am Bau eines neuartigen Detektors. Geplant ist ein zylinderförmiger Resonator aus superfluidem Helium, der auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt wird. Mithilfe von Lasern sollen einzelne Schwingungsquanten, sogenannte Phononen, nachgewiesen werden, in die ein Graviton seine Energie überträgt. Gelingt der Nachweis zunächst indirekt, wäre dies ein entscheidender Schritt. Langfristig könnte das Experiment den Weg zu einer direkten Beobachtung von Gravitonen ebnen und damit ein völlig neues Kapitel der experimentellen Physik aufschlagen.


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