Test der elektrischen Ladung des Neutrons

Wir schlagen vor, die Neutralität des Neutrons im Bereich kleiner Distanzen mit Hilfe einer neuen Technik, die auf Quanteninterferenz beruht, zu testen. Dabei benutzt man ein System, bestehend aus einem ultrakalten Neutron und einem makroskopischen Objekt, dem Spiegelsystem, um präzise Messungen der Quanten-de-Broglie-Phase in Abhängigkeit eines elektrischen Feldes zu messen. In den vergangenen Jahren ist es gelungen,Spektroskopiemessungen auf Gravitationspotentiale anzuwenden. Die Methode erlaubt die präzise Messung von Quantenzuständen einesNeutronenwellenpakets,das an einem Neutronenspiegel reflektiert. Die Energieeigenzustände im Gravitationspotential werden an einen mechanischen Oszillator, hier ein vibrierender Spiegel, gekoppelt. Übergänge zwischen Quantenzuständen können damit zwischen Quantenzuständen im Gravitationsfeld auf ähnliche Weise induziert werden wie bei Magnetresonanzübergängen, bei denen die Oszillatorfrequenz einer Bohrfrequenz des Systems entspricht. Als Wegbereiter der Methode haben wir Übergänge zwischen den Zuständen 12, 13, 23, 24, 14 nachgewiesen. Mit diesem Projekt planen wir, nach einer Ladung des Neutrons zu suchen durch die Anwendung der Ramsey-Methode der getrennt oszillierenden Felder auf die Spektroskopie der Quantenzustände im Gravitationspotential über dem vertikalen Spiegel. In der Vergangenheit hatte man angenommen, dass die Ramsey-Methode nicht für die Messung der Neutronenladung geeignet sei, da eine Phasenakkumulierung sich bei der Invertierung des elektrischen Feldes heraushebt. Jedoch ändern sich in der Gegenwart eines solchen Feldes die Energieniveaus der Quantenzustände durch ein zusätzliches elektrostatisches Potential, falls das Neutron eine nichtverschwindende elektrische Ladung trägt. Bei kleinen Distanzen kann ein höheres elektrisches Feld als in bisherigen Messungen erreicht werden; in Testmessungen wurde ein Faktor acht erreicht.

Dieses Projekt hat das Ziel, die Neutralität des Neutrons im Bereich kleiner Distanzen mit Hilfe einer neuen Quanteninterferenztechnik zu testen. Die Arbeitsgruppe hat dazu ein System entwickelt, das aus einem ultrakalten Neutron und einem makroskopischen Objekt, einem Spiegelsystem, besteht, um präzise Messungen der Quanten-de-Broglie-Phase in Abhängigkeit zu einem angelegten elektrischen Feld zu messen. Wir verwenden dazu eine neuartige Spektroskopiemethode, die wir in einem Vorgängerprojekt entwickelt hatten. Sie erweitert die elektromagnetischen Verfahren von Purcell, Rabi und Ramsey auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde. In Anlehnung an die Magnet- resonanzspektroskopie (MRS) nennen wirdieneueTechnikGravitations- resonanzspektroskopie (GRS). Dabei propagiert ein Neutron im Schwerefeld der Erde über einem Spiegel. Zustandsübergänge werden durch resonante Oszillationen des Spiegels ermöglicht. Erstmals wurden im Vorgängerprojekt resonante Übergänge von Quantenzuständen ultrakalter Neutronen im Gravitationsfeld der Erde beobachtet. In diesem Projekt haben wir zunächst neue, energiereichere Übergänge im Gravitationsfeld der Erde nachgewiesen und ausgemessen. Anschließend haben wir GRS auf die sogenannte Ramsey-Methode angewandt. Die Ramsey-Methode wird bisher z.B. beim Bau von Atomuhren verwendet und ermöglicht höchste Präzision und Sensitivität. In unserem Messaufbau ermöglicht diese Methode zusätzlich zur Präzision den Einbau einer Region, die es erlaubt, eine Elektrode zur Erzeugung eines starken elektrischen Feldes einzubauen. Falls das Neutron eine nichtverschwindende Ladung besitzt, so führt ein elektrisches Feld in unserem Versuchsaufbau zu einer im Rahmen der Messgenauigkeit messbaren Energieverschiebung der Quantenzustände. Wir konnten zeigen, dass bei kleinen Distanzen ein wesentlich höheres elektrisches Feld als in bisherigen Messungen erreicht wird. Des Weiteren kann durch die Verwendung von ultrakalten Neutronen die Beobachtungszeit deutlich vergrößert werden. Für eine Anwendung des Projekts zur Suche nach neuen Naturgesetzten und fundamentalen Wechselwirkungen arbeiten wir an einer Analyse verschiedener Modelle, die zu einer Abweichung von Newtons Gravitationsgesetz bei kleinen Abständen führen sollten. Einige der Kandidaten wären verantwortlich für die beschleunigte Expansion des Universums. In diesem Zusammenhang setzt unser Experiment beste Grenzen auf sogenannte Symmetronfelder und kann diese Theorie praktisch ausschließen.