Improved test of the Weak Equivalence Principle: First scientific results of the MICROSCOPE mission

• Applicant: Professor Dr. Claus Lämmerzahl
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 247729241

Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist der Test des schwachen Äquivalenzprinzips (WEP, Weak Equivalence Principle) mit höherer Genauigkeit. Die Grundlage hierfür ist die Auswertung der wissenschaftlichen Daten der Satellitenmission MICROSCOPE. Das WEP ist das zentrale Prinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Physik überhaupt und wird seit Galileo immer genaueren Tests unterworfen. Mithilfe der Satellitenmission MICROSCOPE kann der Eötvös Parameter mit einer Genauigkeit von 5.0E-16 bestimmt werden, was eine Verbesserung von mehr als zwei Größenordnungen gegenüber den bisher besten Tests bedeutet. Der Schritt in den Weltraum ist notwendig, da erdgebundene Experimente grundlegende technische Grenzen erreicht haben. Zusätzlich liefern diese Experimente einen großen Beitrag zur Suche von Effekten, die von Quantengravitationstheorien vorhergesagt werden. Auch die Abschätzung von Parametern dieser Theorien profitiert von erhöhter Genauigkeit der WEP-Tests. MICROSCOPE ist eine französische Satellitenmission mit deutscher Beteiligung. Der Start ist für April 2016 vorgesehen. Das ZARM ist Mitglied in der Science Working Group und verfügt über das Erstzugriffsrecht auf die Rohdaten der Mission, was die in diesem Projekt durchzuführende Datenanalyse ermöglicht. Wir verfügen bereits über eine starke Expertise bei der Entwicklung von Modellen und Simulationsprogrammen für Raumfahrtmissionen, sowie der Analyse von Missionsdaten - insbesondere im Bereich der Mehrkörperdynamik, die speziell für MICROSCOPE relevant ist. Im Falle von MICROSCOPE muss insbesondere die relative Beschleunigung der Testmassen in den Beschleunigungssensoren bestimmt werden. Das Erreichen des Projektziels erfordert Arbeiten in drei Bereichen: (i) Fertigstellen eines Tools zur Analyse von zeitabhängigen Störeffekten basierend auf den mathematischen Grundlagen der Wavelet-Transformation. In den offiziellen Datareports der MICROSCOPE Mission wird die ZARM-Wavelet Analyse einen festen Platz einnehmen. (ii) Entwicklung einer sog. Fingerprint -Datenbank, welche die spektralen Eigenschaften (zeitabhängig und zeitunabhängig) von sämtlichen Störeffekten beinhaltet. (iii) Analyse der Messdaten. Dabei muss die Datenanalyse einzelner Messreihen schon während der Mission durchgeführt werden, da deren Ergebnisse in die Kalibrierungsphasen eingehen, was die Messgenauigkeit verbessert. Die Modelle und Prozeduren, die in diesem Projekt entwickelt werden sollen, können aufgrund des generischen Charakters der Herangehensweise auf andere wissenschaftliche Missionen übertragen werden - insbesondere in den Bereichen Geodäsie und Fundamentalphysik.

• DFG Programme: Research Grants