Neutron-Elektron Wechselwirkung im Neutroneninterferometer

Das Neutron ist aus drei geladenen Quarks aufgebaut und besitzt daher eine nicht verschwindende Ladungsverteilung. Das zweite Moment der Ladungsverteilung, der Ladungsradius, ist eine fundamentale Größe zur Charakterisierung der Neutronenstruktur. Der Ladungsradius des Neutrons sollte negativ sein, auf Grund der negativen Pionen Wolke im Abstand von 1 fm vom Zentrum. Der Ladungsradius kann durch Neutron-Elektron Wechselwirkung bestimmt werden, mit der Neutron-Elektron Streulänge bne als Messgröße. Der Ladungsradius hängt neben bne nur von wenigen Naturkonstanten ab. Da kein Neutronentarget verfügbar ist, wird die Neutron-Elektron Wechselwirkung durch Streuung von Neutronenstrahlen an den Elektronen der Targetatome realisiert. In früheren Experimenten wurde bne aus dem totalen Wirkungsquerschnitt abgeleitet, aber trotz langjähriger experimenteller Bemühungen gibt es keine zufrieden stellende Übereinstimmung in den abgeleiteten bne Werten. Im Rahmen dieses Projektes wenden wir eine alternative Messmethode zur direkten Bestimmung von bne an. Dazu verwenden wir Neutronenstrahlen die am Hochflussreaktor ILL in Grenoble erzeugt werden, und von der Elektronenhülle des Silizium Targets kohärent gestreut werden. Wir verwenden dazu ein Perfektkristall- Neutroneninterferometer dessen Gitterstruktur und Atomdichte genau bekannt sind. Unser Neutronentarget ist eine Einkristall-Siliziumplatte die starr mit dem Interferometer verbunden ist. Unmittelbar vor dem Target wird der Neutronenstrahl um Bruchteile von Bogensekunden abgelenkt, wodurch im Interferometer eine messbare Phasenverschiebung entsteht. Diese Phasendifferenz hängt direkt von bne ab. Unsere interferometrische Methode ist extrem empfindlich zur Untersuchung der Neutron-Elektron Wechselwirkung, und sie ist im Vergleich zu früheren Methoden weitgehend frei von systematischen Unsicherheiten. Die genaue Kenntnis von bne und des Ladungsradius des Neutrons ist wichtig zum Verständnis der internen Quarkstruktur, und zur Verifizierung des Dirac-Pauli Modells für ein Neutron im externen elektromagnetischen Feld.

Es wurde eine neue Methode getestet um die Wechselwirkung des Neutrons mit einer elektrischen Ladungsverteilung zu messen. Obwohl das Neutron ein elektrisch neutrales Teilchen ist führt seine innere Ladungsverteilung zu einer kleinen zusätzlichen Wechselwirkung neben der dominanten nuklearen Wechselwirkung. In unseren Experimenten findet die Wechselwirkung in einem perfekten Siliziumkristall statt, der Bestandteil eines Kristallinterferometers ist. Zwei Mittelplatten im Inneren des Interferometers fungieren dabei als Neutronentarget wo die Neutronen mit der Ladungsverteilung des Siliziums, also den 14 Protonen des Kerns und den 14 Elektronen in der Hülle, wechselwirken. Die Sensitivität des Interferometers kann variiert werden, indem der Neutronenstrahl vor der Kristallplatte etwas ausgelenkt wird. Die elektrostatische Wechselwirkung ist dabei nahe der Bragg Bedingung am stärksten ausgeprägt. Durch Selektion verschiedener Neutronenenergien werden die elektrostatische und die nukleare Wechselwirkung voneinander unterscheidbar. Prominente Wechselwirkungsparameter wie die Neutron-Elektron Streulänge können aus Phasenmessungen bestimmt werden. Verstärkt durch Beugungseffekte im Kristallgitter entsteht eine hohe Phasensensitivität bezüglich der elektrostatischen Wechselwirkung. Erste Messungen sind vielversprechend und bestätigen die extreme Phasen- und Winkelsensitivität des neuen Instruments. Für Präzisionsexperimente muss allerdings die thermische Stabilität des Interferometer Kristalls auf einige Millikelvin verbessert werden, entsprechende Arbeiten werden gegenwärtig am Instrument ILL-S18 in Grenoble durchgeführt. Das interessanteste Ergebnis dieser Arbeit ist die erstmalige direkte Messung der sogenannten Laue Phase, eine Phase die durch dynamische Beugungseffekte in Laue Geometrie im Kristall induziert wird und von unserer Gruppe theoretisch ausgearbeitet und experimentell erstmals nachgewiesen wurde. Es konnte nachgewiesen werden dass die Laue Phase extrem empfindlich von der Strahlauslenkung im Interferometer abhängt. Um die Winkelsensitivität weiter zu verbessern wurde ein neues Interferometer Konzept entwickelt, das bezüglich Winkelauflösung mit den weltbesten Instrumenten konkurrieren kann, es wird eine Auflösung von einer Mikrowinkelsekunde angestrebt. Die makroskopische Aufspaltung des Neutron Zustandes im Kristallinterferometer, 5-6 cm Strahlseparation entlang einer Pfadlänge von 25-32 cm, bleibt unerreichbar für andere Materiewelleninterferometer. Neue interferometrische Messmethoden auf dem Gebiet der Grundlagenforschung werden damit zugänglich, z.B. der Nachweis elektrostatischer bzw. kurzreichweitiger Wechselwirkungen, Gravitationsexperimente, die direkte Messung der Coriolisablenkung verursacht durch die Erdrotation, und die Untersuchung unorthodoxer Phänomene bei denen die Pfadlänge, Strahlseparation und Strahlablenkung eine wesentliche Rolle spielen.