Test der speziellen Relativitätstheorie

Motivation

Allen akzeptierten Theorien zur Beschreibung von fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur liegt die invariante Lorentztranformation zu Grunde. Sowohl das Standardmodell als auch die von Einstein postulierte Allgemeine und Spezielle Relativitätstheorie basieren auf der Lorentztransformation. Da jegliche Abweichung von den Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie direkte Auswirkungen auf das heutige Verständnis der Natur zur Folge hätte, ist die Überprüfung ihrer Gültigkeit mit höchster Präzision von besonderem Interesse.

Technischer Hintergrund

Schwerionenspeicherringe mit Elektronenkühlern erlauben die Speicherung von Ionen mit relativistischen Geschwindigkeiten bei gleichzeitig exzellenter Ionenstrahlqualität. Solche Speicherringe sind z.B. der Testspeicher-Ring (TSR) am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg oder der Experimentier-Speicherring (ESR) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Kombiniert man die Qualitäten dieser Speicherringe mit denen der Präzisionsspektroskopie so ist ein modernes Ives-Stilwell Experiment, bei welchem die Zeitdilatation durch den transversalen Dopplereffekt gemessen wird, durchführbar.

Experimente und Ergebnisse

Testspeicher-Ring (TSR) am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg

Im TSR in Heidelberg wurden metastabile 7Li+-Ionen auf 3% bzw. 6.4% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gespeichert. Diese Ionen haben einen Übergang im optischen Frequenzband welcher den Ansprüchen der Präzisionsspektroskopie genügt. Dieser Übergang wird von zwei Laserstrahlen die kollinear, parallel und antiparallel zur Flugrichtung der Ionen ausgerichtet sind, angeregt. Die, durch den Dopplereffekt verschobenen, Anregungsfrequenzen der beiden Laser werden mittels Sättigungsspektroskopie simultan (für die jeweilige Ionengeschwindigkeit) bestimmt. Durch Vergleichen der gemessenen mit den theoretischen Frequenzen wurde eine neue Obergrenze für Abweichungen von der speziellen Relativitätstheorie mit 8.4 x 10-8 ermittelt.
Ref.: S. Reinhardt et.al Nature Physics 3 (2007) 861-864 (zur Pressemitteilung)

Aufbau mit Experimentier-Speicherring (ESR) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt - klicken für größere Version

Das nächste Ziel ist es das Experiment am ESR in Darmstadt bei einer Ionengeschwindigkeit von 34% c durchzuführen. Durch die größere Geschwindigkeit steigt die Empindlichkeit auf Abweichungen um mehr als eine Größenordnung. Erste Messungen am ESR haben bereits das Potenzial für die Verbesserung der Obergrenze gezeigt.
Ref.: C. Novotny et.al Hyperfine Interactions 171 (2006) 57-67

Entwicklung der Wellenlänge in Abhängigkeit von der Ionengeschwindigkeit - klicken für größere Version