Ein Test der Zeitdilatation mit einer optischen Atomuhr auf einem Stratosphärenballon

• Antragsteller: Professor Stephan Schiller, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323210209

Wir schlagen die Durchführung eines Präzisionstests eines der fundamentalen Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie vor, nämlich der Zeitdilatation im Gravitationsfeld. Der bisher genaueste Test wurde vor bereits 40 Jahren durchgeführt. Ein nicht-Satelliten-gestützter Test mit höherer Genauigkeit erfordert den Betrieb einer optischen Uhr im Feld. Für dieses Ziel wollen wir eine spezielle Ytterbium-Gitteruhr entwickeln und sie als ¿Testuhr¿ auf großer Höhe betreiben. Die Zeitdilatation wird mittels eines Frequenzvergleichs mit einer Referenzuhr am Boden gemessen. Dazu soll eine flugfähige optische Uhr (flyable optical clock, FOC) entwickelt werden, ein besonders kompaktes und robustes Instrument, welches außerdem zum ersten Mal zwei Atomkammern besitzen, und dadurch eine umfangreiche Charakterisierung sowie eine Optimierung der Eigenschaften erlauben soll. Um die Anforderungen an die Genauigkeit sowohl der FOC als auch der Referenzuhr zu reduzieren, beabsichtigen wir bei einem konkreten Experiment die Frequenzen der beiden Uhren zunächst am Boden zu vergleichen, bevor die FOC innerhalb kurzer Zeit auf eine große Höhe gebracht wird und der Vergleich wiederholt wird. Daher ist die Hauptanforderung an beide Uhren eine gute Reproduzierbarkeit der Frequenz, und weniger die Minimierung der systematischen Frequenzfehler. Darüber hinaus ist das Erzielen einer niedrigen Frequenzinstabilität entscheidend, um die Integrationszeit während eines Experiments zu minimieren, denn dessen Dauer ist begrenzt. In diesem 7-Jahresprojekt planen wir Experimente von zunehmender Komplexität, sowohl in Bezug auf den Uhren-Höhenunterschied, als auch auf die Frequenzvergleichsstrecke (Link). In einem Demonstrationsexperiment im Projektteils II (Jahr 4) wird die FOC auf der Panoramaetage des Rheinturms in Düsseldorf in 160 m Höhe betrieben, und mit einer Referenzuhr am Boden mittels optischer Faser verglichen. Hiermit wird ein Test der Zeitdilatation auf dem Niveau 10-3 ermöglicht. Im Projektteil III (Jahr 7) soll eine Mission durchgeführt werden, bei der die FOC auf einem Stratosphärenballon auf einer Höhe von 35 km für ca. 10 Stunden betrieben wird. Der Link für den Frequenzvergleich mit der Referenzuhr am Boden wird ein Frequenzkamm-basierter zwei-Wege-Freistrahl-Laserlink sein, den wir zusammen mit Kollegen des NIST (USA) und von ViaLight Communications (D) im Projektteil II implementieren wollen. Durch Mittelung der statistischen Unsicherheit der Frequenzdifferenz zwischen FOC und Referenzuhr auf das 2 x 10-18 Niveau zielen wir auf eine Messung der Zeitdilatation im Gravitationsfeld mit relativer Ungenauigkeit von 5 x 10-7 ab, etwa einen Faktor 4 genauer als die erwartete Genauigkeit der bald (2017-18) stattfindenden ISS-Mission ACES. Das vorgeschlagene Projekt hat auch Bedeutung für die nächste Generation von transportablen optischen Uhren, sowohl für Kampagnen am Boden für die relativistische Geodäsie und für die Suche nach dunkler Materie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Marco Schioppo, Ph.D.