Ein amerikanisches Physikerteam will die Genauigkeit der sogenannten Lorentz-Invarianz der Relativitätstheorie an Bord der Internationalen Raumstation ISS mit Hilfe von Atomuhren messen. Diese würden im Weltraum aufgrund der Schwerelosigkeit eine höhere Genauigkeit als auf der Erde erlangen und damit ideal zur Untersuchung von Atomenergieniveaus geeignet sein. Die Forscher glauben, damit von der Elementarteilchenphysik vorhergesagte Energieverschiebungen nachweisen zu können, die gegen die Relativitätstheorie verstoßen. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 090801).
Die theoretischen Elementarteilchenphysiker um Alan Kostelecky von der Universität von Indiana in den Vereinigten Staaten wollen in ihrem Experiment die Energieverschiebungen von Caesiumatomen in einer Atomuhr untersuchen. In einer derartigen Apparatur werden gekühlte Caesiumatome einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt und deren Absorptionsspektrum bestimmt. Aus diesem Spektrum wird dann der international gültige Zeitstandard gewonnen: die Sekunde.
Aufgrund der Gravitationskraft der Erde ist die Genauigkeit der bisher besten Atomuhr beschränkt: ihre Ungenauigkeit beträgt einen Teil in 15 Zehnerpotenzen. Daher ist sie zur Untersuchung der die Lorentz-Invarianz verletzenden extrem kleinen Energieverschiebungen nicht geeignet. Die Forscher um Kostelecky zeigen nun in ihrer Arbeit, dass eine in im Weltraum stationierte Atomuhr eine Ungenauigkeit von nur einem Teil in 27 Zehnerpotenzen aufweisen sollte. Damit könnten die gesuchten Verschiebungen der Energieniveaus der Caesiumatome direkt messbar sein. Die Wissenschaftler hoffen, ihr Experiment in den nächsten Jahren an Bord der Internationalen Raumstation durchführen zu können.
Der Relativitätstheorie Einsteins zu Folge sollten die physikalischen Naturgesetze, denen ein bestimmtes Objekt ausgesetzt ist, von dessen Geschwindigkeit unabhängig sein. Diesen Umstand bezeichnet man als Lorentz-Invarianz: Die Naturgesetze sind invariant gegenüber sogenannten Lorentz-Transformationen der Raumzeit.
Einige Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik sagen nun allerdings voraus, dass die Wechselwirkungen subatomarer Teilchen mit bestimmten, bisher nur von Theoretikern postulierten Kraftfeldern zu Verletzungen der Lorentz-Invarianz führen könnten. Das von Kostelecky vorgeschlagene Experiment könnte nun diese Erweiterungen des Standardmodells erstmals einer experimentellen Prüfung zugänglich machen und daher einen Weg in die Zukunft der Elementarteilchenphysik jenseits des Standardmodells weisen.
Stefan Maier
