Did the Gran Sasso Experiment Rule Out the Diósi-Penrose Theory? Musing on the 2021 Result and the Present Experimental Status

Tief im stillen Gestein der italienischen Apenninen, weit unter dem Lärm der Erdoberfläche, haben Wissenschaftler lange nach einem Flüstern gelauscht, das unser Verständnis der Realität verändern könnte. Dieses Flüstern betrifft eine fundamentale Frage: Warum geben die seltsamen, unscharfen Regeln der Quantenwelt, die Atome und Licht regieren, den festen, vorhersehbaren Regeln des alltäglichen Lebens Platz? Jahrzehntelang deutete eine führende Idee darauf hin, dass die Gravitation selbst die Kraft sein könnte, die die Quantenwelt dazu zwingt, sich für einen einzigen Zustand zu „entscheiden“ und die unscharfen Möglichkeiten in die definierte Realität zu kollabieren. Dieses Konzept, bekannt als Diósi-Penrose-Theorie, schlägt vor, dass ein Objekt, wenn es groß genug wird, durch seine eigene Anziehungskraft daran gehindert wird, an zwei Orten gleichzeitig zu existieren. Wenn diese Theorie korrekt ist, sollte der Prozess dieses Kollapses nicht lautlos verlaufen; er sollte eine schwache, spontane Strahlung erzeugen, einen winzigen Energieausstoß, der freigesetzt wird, während das Universum eine Quantensuperposition zur Ruhe kommen lässt. Den Nachweis dieser Strahlung zu erbringen, wäre eine monumentale Entdeckung, die beweisen würde, dass die Gravitation eine direkte Rolle beim Kollaps der Wellenfunktion spielt. Wenn jedoch die Strahlung fehlt, bedeutet dies, dass die Theorie in ihrer einfachsten Form die Natur nicht beschreibt.

Im Jahr 2021 unternahm ein Team von Forschern am Gran Sasso National Laboratory den Versuch, diese Strahlung zu finden. Sie platzierten einen hochreinen Germaniumdetektor tief unter der Erde, abgeschirmt vor kosmischer Strahlung und anderem Hintergrundrauschen, um einen möglichst ruhigen Beobachtungsposten zu schaffen. Ihr Ziel war es, das spezifische Signal zu erfassen, das die Standardversion des Diósi-Penrose-Modells vorhersagt. Dieses Modell stützt sich auf eine spezifische Reihe von Annahmen: dass der Kollaps zufällig und kontinuierlich geschieht, wie ein stetiger Strom aus weißem Rauschen, und dass die „Auflösung“ der beteiligten Masse – der kleinste Abstand, bei dem die Theorie zwischen zwei Punkten unterscheiden kann – durch das natürliche, quantenmechanische Zittern der Atomkerne innerhalb des Detektors bestimmt wird. Wenn diese spezifische Kombination von Ideen wahr wäre, hätte der Detektor eine klare Überschussstrahlung sehen müssen. Stattdessen fand das Experiment nichts. Die Daten zeigten kein Anzeichen des vorhergesagten Signals, was die Forscher zu dem Schluss führte, dass diese spezielle, parameterfreie Version der Theorie nicht korrekt ist. Die natürliche, unkorrigierte Vorhersage darüber, wie die Theorie mit Germanium funktionieren sollte, wurde um eine große Spanne widerlegt.

Die Geschichte endete dort nicht. In den Jahren nach dem Gran Sasso-Ergebnis schlossen sich andere Experimente der Suche an, wobei jedes mit empfindlicherer Ausrüstung und größeren Mengen an Material an die Aufgabe heranging. Der Majorana Demonstrator, der angereichertes Germanium verwendete, und später der XENONnT-Dunkle-Materie-Detektor, der flüssiges Xenon nutzte, wiederholten die Suche mit noch größerer Präzision. Diese neueren Experimente bestätigten die früheren Ergebnisse und erweiterten die Grenzen noch weiter. Sie stellten fest, dass, falls diese Art von gravitationsbedingtem Kollaps existiert, der „Auflösungsparameter“ viel größer sein muss als die natürliche Größe der Atomkerne. Speziell das XENONnT-Experiment setzte eine neue Grenze und zeigte, dass der Cutoff größer als 4,5 × 10⁻¹⁰ Meter bei einem Konfidenzniveau von 95 Prozent sein muss. Dies bedeutet, dass die Theorie in ihrer Standardform auf einen viel engeren Bereich von Möglichkeiten beschränkt ist als bisher angenommen. Die Experimente haben die Tür für die Idee geschlossen, dass der Kollaps genau so abläuft, wie die einfachste Version der Theorie es vorhersagte, bei der die Auflösung der natürlichen Ausbreitung der Kerne entspricht.

Die Autoren dieser Arbeit sind jedoch sorgfältig darin, genau zu klären, was ausgeschlossen wurde und was möglich bleibt. Sie betonen, dass die Experimente nicht die gesamte Idee eines mit der Gravitation zusammenhängenden Kollapses widerlegt haben, noch haben sie die allgemeine Vorstellung widerlegt, dass die Gravitation die Wellenfunktion zum Kollaps bringt. Was abgelehnt wurde, war ein spezifisches, elegantes Paket: die Kombination eines standardmäßigen, zufälligen Rauschmodells mit einer spezifischen, natürlichen Art, die Größe der Masse zu messen. Die Theorie könnte immer noch korrekt sein, wenn das „Rauschen“, das den Kollaps antreibt, anders ist – vielleicht ist es kein stetiges weißes Rauschen, sondern ein komplexeres, farbiges Rauschen, das sich über die Zeit verändert, oder wenn die Auflösung der Masse nicht durch das natürliche Zittern der Kerne, sondern durch eine andere, größere Skala bestimmt wird. Die Experimente haben kein universelles „Nein“ zur Rolle der Gravitation beim Kollaps gefunden; vielmehr haben sie ein sehr präzises „Nein“ zu einer spezifischen Art der Formulierung der Regeln geliefert.

Diese Unterscheidung ist entscheidend für die Zukunft des Feldes. Die wissenschaftliche Gemeinschaft weiß nun, dass die einfachste, natürlichste Version des Diósi-Penrose-Modells nicht mit der Realität übereinstimmt. Der Weg nach vorn erfordert von den Theoretikern, ihre Ideen zu verfeinern, indem sie vielleicht die Art und Weise, wie das Rauschen verhält, anpassen oder die Art und Weise überdenken, wie die Masse auf winzigen Distanzen aufgelöst wird. Die Experimente haben das Rätsel nicht gelöst, warum die Quantenwelt zur klassischen Welt wird, aber sie haben einen bedeutenden Kandidaten für die Lösung entfernt. Durch die Verengung des Raums für lebensfähige Theorien haben diese tief unterirdischen Suchanfragen zu einem präziseren Gespräch geführt. Die Stille der Detektoren ist kein Scheitern; sie ist eine klare Botschaft, dass die Natur komplexer ist, als es die einfachsten Gleichungen vermuten ließen, und sie leitet die Wissenschaftler zu einem genaueren Verständnis der fundamentalen Kräfte, die unsere Realität formen.