Untersuchungen zur elektrischen Neutralität des Neutrons

In Neutronenexperimenten können sehr hohe Präzisionen erreicht werden, aufgrund der Tatsache, dass Neutronen elektrisch neutral sind. Deshalb kann nach hypothetischen Kräften und Wechselwirkungen gesucht werden, die viele Größenordnungen kleiner sind als die elektromagnetische Kraft. Kleine Effekte, die sonst verdeckt sind, können gemessen werden. Dass das Neutron ein elektrisch neutrales Teilchen ist, wurde in Strahl- Ablenkungsversuchen überprüft, wobei langsame Neutronen ein starkes elektrisches Feld quer zur Flugrichtung passieren. Der Wert der elektrischen Ladung des Neutrons konnte eingeschränkt werden auf weniger als 10-21 mal der elektrischen Ladung des Elektrons. Wir schlagen vor, die elektrische Neutralität des Neutrons im Bereich kleiner Distanzen mit Hilfe einer neuen Technik zu testen, die auf der Spektroskopie von Quantenzuständen für ultrakalte Neutronen im Gravitationspotential über einem vertikalen Spiegel beruht. Die neue Technik ist eine Anwendung der Ramsey Methode der separierten oszillierenden Felder für Neutronen-Quantenzustände im Gravitationspotential der Erde. Im elektrischen Feld ändert sich die Energie der Quantenzustände durch ein zusätzliches elektrostatisches Potential, wenn das Neutron einen nichtverschwindende Ladung trägt. Der Energieschub ist von Zustand zu Zustand verschieden, aufgrund der speziellen Eigenschaften der Wellenfunktion im linearen Potential. Die Energiedifferenz zwischen zwei Quantenzuständen mit und ohne angelegtes elektrisches Feld wird im Experiment gemessen. Langfristig hat unsere Methode das Potential, den bestehenden Limit für die elektrische Ladung des Neutrons um 2 Größenordnungen zu verbessern.

Dieses Projekt hat das Ziel, die Neutralität des Neutrons im Bereich kleiner Distanzen mit Hilfe einer neuen Quanteninterferenztechnik zu testen. Wir haben 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 eines elektrischen Feldes zu messen. Die Auswertung geschieht durch die Anwendung der sogenannten Ramsey-Methode auf die Spektroskopie von Quantenzuständen im Gravitationspotential über dem vertikalen Spiegel. Die neue Methode hat mehrere Vorteile: Zum einen wird durch das Ausnutzen eines Quanteninterferenzphänomens höchste Präzision erreicht, wie dies in vielfältigen Anwendungen in Naturwissenschaft, Technik und Medizin gezeigt wurde. Zum Studium fundamentaler Fragestellungen haben wir in den letzten Jahren dafür eine neue Resonanz-spektroskopiemethode entwickelt. Sie verbindet die beiden Themengruppen Gravitation und Quantenmechanik und erweitert die elektromagnetischen Verfahren von Purcell, Rabi und Ramsey auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde. In Anlehnung an die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) nennen wir die neue Technik Gravitationsresonanzspektroskopie (GRS). Dabei propagiert ein Neutron im Schwerefeld der Erde über einem Spiegel. Zustandsübergänge werden durch resonante Oszillationen des Spiegels ermöglicht. Bei der MRS-Technik hingegen wird ein magnetisches Moment eines Atoms, Moleküls, oder Nukleons in ein äußeres Magnetfeld platziert. Übergänge werden bei diesen Systemen durch das Anlegen eines geeigneten Hochfrequenzfeldes erreicht. 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. Nun hat unser Aufbau zwei weitere Vorteile: 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. Wir haben in den ersten drei Jahren des auf sechs Jahre angelegten Projekts die dazu entscheidenden Komponenten entwickelt. Zunächst wurde die neue Gravitationsspektroskopie aufgebaut und getestet. Erstmals wurden resonante Übergänge von Quantenzuständen ultrakalter Neutronen im Gravitationsfeld der Erde beobachtet. Parallel dazu konnten im Vergleich zu Vorgängerexperimenten deutlich höhere elektrische Felder erzielt werden.