Eine Falle für die Schwerkraft: Physiker:innen entwerfen den ersten Graviton-Käfig

Die Suche nach dem Graviton, jenem hypothetischen Teilchen, das die Gravitation im Rahmen einer Quantentheorie vermitteln soll, gehört zu den größten offenen Fragen der Physik. Während die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation als gekrümmte Raumzeit beschreibt und klassische Gravitationswellen inzwischen mehrfach direkt nachgewiesen wurden, blieb die Quantenaspekt dieser fundamentalen Kraft bislang unerreichbar. Das Graviton selbst ist bisher rein theoretisch, und schon allein seine experimentelle Beobachtung galt lange Zeit als praktisch und prinzipiell unmöglich – eine Herausforderung auf dem Niveau eines modernen „Heiligen Grals“ der Physik.

Vom Theoretischen zur Experimentellen Idee

Die herkömmlichen Ansätze zur Gravitationstheorie scheitern daran, die quantisierte Natur des Gravitationsfelds mit der allgemeinen Relativität zu vereinen. Klassische Gravitationswellen, wie sie beispielsweise durch die Kollision schwarzer Löcher oder Neutronensterne erzeugt werden, lassen sich inzwischen mit Instrumenten wie LIGO beobachten, doch ein direkter Nachweis einzelner Gravitonen blieb bis vor Kurzem undenkbar. Die grundlegende Schwierigkeit liegt in der extrem schwachen Wechselwirkung von Gravitonen mit Materie – sie durchdringen praktisch alles, ohne Spuren zu hinterlassen. Dieses Verhalten hat viele Forscher:innen glauben lassen, dass ein direkter Nachweis im Labor jenseits der technischen Möglichkeiten liegt. Aber neue theoretische Einsichten haben diesen Eindruck verändert.

Im Jahr 2024 zeigte ein Team um Igor Pikovski in einem Fachartikel, dass sich die Detektion einzelner Gravitonen prinzipiell mit Hilfe moderner quantentechnologischer Methoden realisieren lässt. Dabei wird die Idee zugrunde gelegt, dass eine Gravitationswelle aus enorm vielen Gravitonen besteht und ein passendes quantenmechanisches System beim Durchgang einer solchen Welle genau einen Quantensprung absorbieren kann. Ähnlich wie der photoelektrische Effekt den Nachweis einzelner Photonen ermöglichte, könnte ein quantensensitives Messsystem Anregungen registrieren, die eindeutig aus dem Einfang eines Gravitons resultieren.

Helium soll Graviton fangen

Im Zuge dieser theoretischen Fortschritte hat eine Kooperation zwischen dem Stevens Institute of Technology und der Yale University begonnen, ein erstes experimentelles System zu entwickeln, das genau dieses physikalische Prinzip nutzbar machen soll. Der grundlegende Aufbau besteht aus einem fein abgestimmten Resonator aus superfluidem Helium, der auf wenige Zentimeter Dimension skaliert ist und auf nahezu den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird. Durch das Erreichen des quantenmechanischen Grundzustands wird dieser Resonator extrem empfindlich für selbst kleinste Energiemengen.

Das Ziel ist es, dass ein Graviton aus einer vorbeiziehenden Gravitationswelle genau in diesem Resonator absorbiert wird und seine Energie in Form eines einzelnen Phonons, also eines quantisierten Vibrationsimpulses, freisetzt. Diese winzige Schwingung kann dann mittels hochauflösender Laserinterferometrie nachgewiesen werden. So wäre der Nachweis eines Gravitons nicht ein direkter „Sichtkontakt“, sondern eine indirekte, aber messbare Auswirkung dieses fundamentalen Teilchens. Während bisherige Systeme einzelne Quanten in makroskopischen Quantensystemen detektieren können, besteht die Herausforderung nun darin, diese Empfindlichkeit auf ein System mit Gramm- bis Kilogramm-Masse zu übertragen, wie es für den Detektor erforderlich ist.

„Für lange Zeit galt der Graviton-Nachweis als so hoffnungslos, dass er überhaupt nicht als experimentelles Problem betrachtet wurde“, so Pikovski. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass diese Schlussfolgerung in der Ära moderner Quantentechnologie nicht mehr gilt.“ Damit beschreibt er den Paradigmenwechsel, der die Gravitation selbst in den Bereich kontrollierbarer Laborphysik bringen könnte. Jack Harris von der Yale University ergänzt, dass die grundlegenden Werkzeuge bereits vorhanden seien, es aber vor allem um die Skalierung dieser Technologien gehe, um die extrem empfindlichen Messungen zu ermöglichen.

Auf dem Weg zum experimentellen Nachweis eines Gravitons

Das Experiment steht noch am Anfang. Aktuell handelt es sich um Modellaufbauten und Prototypen, die zeigen sollen, dass einzelne Phononen im Resonator sicher detektiert werden können. Sollte dieser Ansatz funktionieren, würde er nicht nur den ersten experimentellen Nachweis eines Gravitons ermöglichen, sondern auch einen völlig neuen Zugang zur Quantengravitation eröffnen. Bislang musste sich die Forschung auf theoretische Modelle und indirekte Beobachtungen stützen. Mit einem funktionierenden Graviton-Detektor könnten direkte experimentelle Daten gewonnen werden, die dazu beitragen, die Kluft zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativität zu überbrücken und ein tieferes Verständnis der Natur der Gravitation zu gewinnen.

via Stevens Institute of Technology