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GeoWerkstatt-Projekt des Monats November 2019 – Die Schwerebeschleunigung g in Quantenexperimenten

Die Schwerebeschleunigung g in Quantenexperimenten

GeoWerkstatt-Projekt des Monats November 2019

Projekt: Die Schwerebeschleunigung g in Quantenexperimenten

Forscher: Dr.-Ing. M. Schilling, Dr.-Ing. L. Timmen, VLBAI Team des IQ

Projektidee: Mit klassischen Gravimetern wird g für Versuche in neuartigen Quantenexperimenten zur Bewertung systematischer Effekte und Unsicherheiten gemessen

Das Very Long Baseline Atom Interferometer (VLBAI) am Hannover Institut für Technologie (HITec) ist eine weltweit herausragende Versuchsanlage für Grundlagenforschung in Physik und Geodäsie. Mit der Atominterferometrie können Größen wie die Schwerkraft g gemessen und Experimente zur physikalischen Grundlagenforschung durchgeführt werden. Das ermöglicht neue Empfindlichkeitsrekorde der Messungen.

Bei der Atominterferometrie werden Wolken von Atomen betrachtet, die sich im freien Fall befinden. Je größer das Messinstrument ist, desto länger dauert der Fall. Bei transportablen Geräten, wie Quantengravimetern, ist die Dauer der Messung daher auf wenige Zehntelsekunden begrenzt. Das VLBAI ist allerdings 15 Meter hoch, sodass die Dauer des Falls auf über eine Sekunde ausgedehnt wird. Mit der Verlängerung des Fallweges erreicht man eine Steigerung der Sensitivität. Die Messung wird immer genauer.

Entlang der 15 Meter Fallhöhe im VLBAI ändert sich jedoch die Schwere g. Damit systematische Fehler in den Experimenten eingegrenzt und die Unsicherheit der Messungen reduziert werden können, haben wir schon während des Aufbaus des VLBAI in mehreren Messkampagnen den Verlauf von g gemessen. Dazu haben wir klassische Gravimeter, die so genannten Relativgravimeter, verwendet. Diese Messungen werden auch dazu genutzt ein Modell des lokalen Schwerefeldes, welches die Massen des HITec und des VLBAI einschließt, zu überprüfen.

Die letzten Komponenten des VLBAI werden Ende des Jahres 2019 installiert werden. Infolgedessen werden wir weitere Schweremessungen und Modellanpassungen durchführen, so dass zu den ersten Messungen des VLBAI eine gute Schätzung des Schwerefeldes im Instrument vorliegt. Dieses Modell kann zunächst als Referenz für gravimetrische Messungen des VLBAI dienen. Ziel ist jedoch die Nutzung der höheren Genauigkeit des VLBAI, um ein „Referenzgravimeter“ zum Vergleich  klassischer Absolutgravimeter zu etablieren.

Das Experiment und die Ergebnisse im Detail:

Abbildung 1 zeigt ein Relativgravimeter auf dem Boden des Labors. Die metallene Struktur im Hintergrund ist die Haltevorrichtung des VLBAI. Im Inneren dieser Haltevorrichtung ist ein zweites Relativgravimeter zu sehen, das auf einer beweglichen Plattform steht. Diese Plattform ist entlang der gesamten Länge des späteren Experimentes bewegt worden, um g in 15 Ebenen mittels Messungen beider Relativgravimeter zu bestimmen.  Abbildung 2 (links) zeigt zunächst die Messungen (rot) und das Model des HITec mit VLBAI (blau). In dieser Darstellung dominiert die Abnahme der Schwere mit der Höhe. Die Einheit von 1 µm/s² der x-Achse entspricht 1×10-6 m/s². In Abbildung 2 (rechts) ist das Model von den Messungen abgezogen dargestellt (rot). Da das Model mit einigen Unbekannten, z.B. in der Geometrie oder Dichte der Komponenten, versehen ist, wurde eine Simulation mit einer zufälligen Variation dieser Parameter durchgeführt. In blau ist die maximale Variation und in grün die Standardabweichung des Modells dargestellt. Die Einheit der x-Achse ist nun 1 nm/s² also 1×10-9 m/s². In dem für Experimente genutzten Bereich zwischen 4 m und 13 m liegen die meisten Messungen innerhalb der Standardabweichung des Modells. Zusätzlich ist in der Differenz aus Messung und Model ein scheinbar systematischer Effekt in Form einer Welle zu erkennen, der weiter untersucht werden muss.

Abbildung 1: Relativgravimeter ZLS B-64 im Labor und Scintrex CG6-0171 im Inneren der Haltestruktur (links) mit Entwurf des vollständigen VLBAI (rechts).
Abbildung 2: Modell und Messung der Schwere entlang der Hauptachse des VLBAI (links) und die Messungen abzüglich des Modells sowie maximale Variation und Standardabweichung des Modells (rechts).