Von skalar-tensoriellen Theorien zu Präzisionsuhren: Variierende Naturkonstanten als Brücke zwischen Kosmologie und Labormetrologie

Skalarfelder, die an die Felder des Standardmodells koppeln, treten in einer breiten Klasse von Theorien jenseits des Standardmodells auf, als dunkle Energie, als ultraleichte dunkle Materie, als Vermittler modifizierter Gravitation oder als Überbleibsel höherdimensionaler Konstruktionen. Ein gemeinsames und weitgehend modellunabhängiges Merkmal solcher Theorien ist, dass sie die gemessenen Werte der Naturkonstanten zu dynamischen, raum- und zeitabhängigen Größen machen. Präzisionsuhren haben sich zu einer der schärfsten Sonden für solche Variationen entwickelt und schlagen damit eine Brücke zwischen Kosmologie und Labormetrologie.

Diese Übersichtsarbeit verfolgt den Bogen von der theoretischen Struktur skalar-tensorieller Modelle über die Kopplungskanäle bis zu den experimentellen Methoden und dem gegenwärtigen Stand der Schranken. Ausgeschrieben werden die konforme Abbildung zwischen Jordan- und Einstein-Frame, die drei charakteristischen Zeitsignaturen (linearer Drift, harmonische Oszillation, jährliche Modulation), die Dünnschalenbedingung der Abschirmmechanismen sowie der Fisher-Formalismus der Empfindlichkeitsprognose. Besonderes Augenmerk liegt auf den neuen hochsensitiven Uhrentypen, namentlich hochgeladenen Ionen und der Thorium-229-Kernuhr, sowie auf der Forecast-Literatur der Jahre 2024 bis 2026.

Arbeitsfassung. Die theoretischen Herleitungen sind ausgeschrieben; Zahlenwerte, Sensitivitätskoeffizienten und die Zuordnung von Arbeiten zu Gruppen sind als vorläufig gekennzeichnet und vor einer Zeitschriftenveröffentlichung gegen die Primärliteratur abzugleichen.

English summary: A review tracing the connection between scalar-tensor theories and precision clock experiments. Covers the theoretical framework (conformal frames, quintessence, ultralight dark matter, screening mechanisms), the coupling channels affecting the fine-structure constant, the proton-electron mass ratio and the gravitational constant, the measurement principle of clock frequency ratios, noise models and Fisher forecasting, the new highly sensitive clock species (highly charged ions, thorium-229 nuclear clock), and the current constraint landscape. Working draft; numerical values flagged for verification. In German.