AXION - Neutroneninterferometrie für Standardmodell- und Gravitationstests

Der Antrag behandelt wichtige Fragen der aktuellen Forschung auf dem Gebiet der Kern- und Teilchenphysik und betrifft die Analyse möglicher Abweichungen vom Standardmodell (SM) der Teilchenphysik. Als ein Mittel zum Test des SM planen wir Quanteninterferenzexperimente mit Neutronen durchzuführen. Das Ziel des theoretischen Teils dieses Projekts ist die Analyse aller aktuellen für diese Experimente geeignete Kandidaten für Physik jenseits des Standardmodells, die eine effektive Abweichung von der Newtonschen Gravitation bei kurzen Abständen hervorrufen. Darüber hinaus berücksichtigt die Untersuchung den speziellen experimentellen Aufbau des Experimentes und analysiert die Auswirkungen der erhaltenen Resultate auf ihre Beziehung zu anderen fundamentalen Eigenschaften in der Teilchenphysik. Als Kriterium für die Auswahl der Theorien kann man die Vorhersagen für ein elektrisches Dipolmoment des Neutrons als Folge der direkten CP-Verletzung heranziehen. Ein Teilchen, das eine CP-verletzende Wechselwirkung vermittelt, und dazu noch ein aussichtsreicher Kandidat für die dunkle Materie darstellt, ist das Axion. Die Experimente werden deshalb nach Axionwechselwirkungen bei kleinen Abständen im sogenannten Axionfenster bei 10 -4 m suchen, dort, wo unsere früheren Experimente die einzigen bekannten Grenzen setzen. Mit der neuen "Gravitationsresonanzmethode" können diese Grenzen um Größenordnungen verbessert werden. Beste Grenzen werden mit polarisierten Neutronen erreicht, und entsprechende Methoden werden mit diesem Programm entwickelt. Der Vorteil der neuentwickelten "Gravitationsresonanztechnik" ist es, einer unbekannten Energie eine gemessene Frequenz zuzuordnen. Dies erlaubt es, eine mögliche Änderung der Energiezustände von Neutronen durch Axionswechselwirkungen dadurch zu messen, dass die Energiedifferenz der im Gravitationspotential der Erde gebundenen Quantenzustände einer Frequenz zugeordnet wird, die fast beliebig genau gemessen werden kann.. Eine hypothetische Axion-Kopplung bewirkt ein effektives Potential als Funktion der Reichweite dieser Wechselwirkung. Die Überlegungen zur Axionwechselwirkung lassen sich verallgemeinern. Abweichungen ergeben sich als phänomenologisches Resultat fundamentalerer Theorien, die alle Kräfte vereinigen, die nach dem Urknall in Erscheinung getreten sind. Diese große Vereinheitlichung ist eine Erweiterung des Standardmodells und enthält neue Symmetriekonzepte, die auf der Supersymmetrie und Supergravitationswechselwirkung aufbauen. Supersymmetrische Theorien, die Wechselwirkungen von punktförmigen Teilchen beschreiben, können in allgemeineren Theorien enthalten sein, wie String-, Superstring und D-brane Theorien. Diese Theorien sagen neue zusätzliche Dimensionen im Submillimeterbereich voraus, die in q-bouncing-Experimenten in einem Neutroneninterferometer durch Messung der Phasenverschiebung der Neutronwellenfunktion nachgewiesen werden können.

eses Projek Die kt überprüft die Gültigkeit des avitationsge Graesetzes mitttels Quanteninter- enzmethode fereständen. en bei kleeinsten Abs ystemen laassen sich zur Zeit Mit Quantensy die genauesten Messinnstrumente bauen. Man denke numuhren, die präzise ur an Atom Zeitstandards liefern, od er an die Magnet- Abb.: (links) Quantensprünge im Gravittationsfeld der Erde;;resonanzmethode,die in der Medizin (rechts) eiin hypothetischess Chamäleonfeld mit einer Ändderung der Enerrgiezustände. Ein E Chamäleonfeeld könnte füür die stochen sch geseren des harfe Bilderr vom Inne d Universums verantwortlich beschleuniigten Expansion des vseein. e beiden menschlichen Körpers zzeigt. Diese Technikken überneh ür das qBO UNCE-Expe hmen wir füeriment mit ultrakalten Neutronen. Hierbei wir die drän wollen wF ngendsten Fragenologie kläreen: aus was der Raumzeit und Kosmo s besteht nd was mac dunkle Materie, unnkle Energie cht die dun s experimenntelle Werk e aus? Daskzeug ist hierbei ein gravitativ wechselw Quantensys wirkendes Q eutron, das unter dem Einfluss stem: ein Ne der Schuf einem Sp hwerkraft au en, dass duunkle Materrie- oder piegel refle ktiert wird. Wir erwarte en, wenn sie mit un dunkle Energieteilchen sichttbar werde rakalten Ne nseren ultraeutronen elwirken un wechseurch eine der Gravittationskraft ähnlichen Wirkung auf die nd zwar du nmechaniscchen Energiieniveaus im quantenonsfeld der Erde. Zur M m Gravitatioetzen wir Messung se piemethode unsere Resonanzsspektroskop w bei einem früherenn Projekt en e ein, die wirntwickelt amäleonfeld hatten. In der Abbiildung ist eiin hypothet isches Cha d gezeichneet. Falls es existiert, d führte es nicht nur zu einer Verscchiebung der Energiieniveaus des Neutrrons im ondern es wäre Gravitattionsfeld, so w chleunigte Expansion auch ffür die bescEsums im ddes Univers n verantwo Ganzen s qBOUNCE ortlich. Dasent bietet die einzigaartige Mög E-Experimeglichkeit, er gravitatio entwede e Kräfte zu finden ode onsähnlichechließen. er ihre Existtenz kompleett auszusc M nanzspektro In Analogie zur MagnetresonT oskopie wirrd unsere Technik esonanz- Graavitationsre nannt, jedoc spektrosskopie gen det unsere Technolog ch verwendgie weder eelektromagnetische enzial. Dass Team an der TU Felder noch eine Kopplung an ein elekktromagnetisches Pote Wien a ner an Pro arbeitet ferndes Standa oblemen d u ardmodells der Teilchhenphysik und der Beginn des Projekts arrbeiteten wiir an einer Analyse Gravitattion bei kleinen Abständen. Zu B edener Mod verschieu einer Abw delle, die zu weichung von Newtons Gravitationnsgesetz bei kleinen den führen sollten. Ein Abständ andidaten, wie nige der Kanen, sind w etwa die sogenannnten Axion Kandidaten für die dunkle Ma auch Kdere, wie das Cham aterie, andmäleonfeld,, wären wortlich für die beschlleunigte Exxpansion de verantw m dem es Universums. Das ILL stellt mit am für unse französischen Tea mente die weltweit ere Experim w Neutronenqu inttensivste N uelle mit nen zur Ve ultrakaltten NeutronWas den the erfügung. W n Anteil anggeht, so wu eoretischen urde ein eller Blick auf universevitation gericchtet, weit jenseits der Einsteinschhen Theorie a die Grav e.