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Untersuchungen zur elektrischen Neutralität des Neutrons

Probing the electric neutrality of the neutron

Hartmut Abele (ORCID: 0000-0002-6832-9051)
  • Grant-DOI 10.55776/I531
  • Förderprogramm Einzelprojekte International
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.05.2010
  • Projektende 31.12.2014
  • Bewilligungssumme 223.474 €

DACH: Österreich - Deutschland - Schweiz

Wissenschaftsdisziplinen

Physik, Astronomie (100%)

Keywords

    Electric Neutrality Of The Neutron, Ramsey method, Separated Oscillating Fields, Gravity States Of Neutrons, Quantum Interferometry, Ultracold Neutrons

Abstract Endbericht

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.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Wien - 100%
Nationale Projektbeteiligte
  • Katharina Durstberger-Rennhofer, Technische Universität Wien , ehemalige:r Projektleiter:in
Internationale Projektbeteiligte
  • Christian Plonka-Spehr, Johannes Gutenberg Universität Mainz - Deutschland
  • Dirk Dubbers, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg - Deutschland
  • Bastian Martin Märkisch, Technische Universität München - Deutschland
  • Stephan Paul, Technische Universität München - Deutschland
  • Torsten Soldner, ILL Neutrons for Society - Frankreich
  • Peter Geltenbort, Institut Laue Langevin - Frankreich
  • Oliver Zimmer, University of Oxford - Vereinigtes Königreich

Research Output

  • 685 Zitationen
  • 22 Publikationen
Publikationen
  • 2019
    Titel Testing gravity at short distances: Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce
    DOI 10.1051/epjconf/201921905003
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal EPJ Web of Conferences
    Seiten 05003
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Neutron interferometry constrains dark energy chameleon fields
    DOI 10.1016/j.physletb.2015.02.063
    Typ Journal Article
    Autor Lemmel H
    Journal Physics Letters B
    Seiten 310-314
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Gravity Spectroscopy.
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Abele H
    Konferenz 2011 Gravitational Waves and Experimental Gravity, E. Augé, J. Dumarchez, J. Tran Thanh Van (eds), The Gioi Publishers, 2011.
  • 2011
    Titel Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique
    DOI 10.1038/nphys1970
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Nature Physics
    Seiten 468-472
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Influence of the chameleon field potential on transition frequencies of gravitationally bound quantum states of ultracold neutrons
    DOI 10.1103/physrevd.87.105013
    Typ Journal Article
    Autor Ivanov A
    Journal Physical Review D
    Seiten 105013
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Ultracold neutron detectors based on 10B converters used in the qBounce experiments
    DOI 10.1016/j.nima.2013.06.024
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detector
    Seiten 1-8
    Link Publikation
  • 2012
    Titel Gravitation and quantum interference experiments with neutrons
    DOI 10.1088/1367-2630/14/5/055010
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal New Journal of Physics
    Seiten 055010
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Probing the neutron’s electric neutrality with Ramsey spectroscopy of gravitational quantum states of ultracold neutrons
    DOI 10.1103/physrevd.84.036004
    Typ Journal Article
    Autor Durstberger-Rennhofer K
    Journal Physical Review D
    Seiten 036004
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Gravitation unter dem Mikroskop.
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Spektrum der Wissenschaft, Sept. 2011
  • 2014
    Titel Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
    DOI 10.1103/physrevlett.112.151105
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 151105
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Vectorial velocity filter for ultracold neutrons based on a surface-disordered mirror system
    DOI 10.1103/physreve.89.032907
    Typ Journal Article
    Autor Chizhova L
    Journal Physical Review E
    Seiten 032907
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Precision experiments with cold and ultra-cold neutrons
    DOI 10.1007/s10751-016-1352-z
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Hyperfine Interactions
    Seiten 155
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Scientific Highlight Article.
    Typ Journal Article
    Autor Abele H Et Al
    Journal Annual Report 2014 of the Institute Laue-Langevin in Grenoble/France
  • 2015
    Titel Gravity experiments with ultracold neutrons and the qBounce experiment
    DOI 10.48550/arxiv.1510.03078
    Typ Preprint
    Autor Jenke T
  • 2015
    Titel Neutron Interferometry constrains dark energy chameleon fields
    DOI 10.48550/arxiv.1502.06023
    Typ Preprint
    Autor Lemmel H
  • 2014
    Titel Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
    DOI 10.48550/arxiv.1404.4099
    Typ Preprint
    Autor Jenke T
  • 2014
    Titel Beam Line Parameters for PERC at the ESS
    DOI 10.1016/j.phpro.2013.12.011
    Typ Journal Article
    Autor Klauser C
    Journal Physics Procedia
    Seiten 46-49
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Experiments with Gravitationally-bound Ultracold Neutrons at the European Spallation Source ESS
    DOI 10.1016/j.phpro.2013.12.016
    Typ Journal Article
    Autor Jenke T
    Journal Physics Procedia
    Seiten 67-72
    Link Publikation
  • 2012
    Titel Methods and applications of gravity resonance spectroscopy within the qBounce experiment
    DOI 10.1088/1742-6596/340/1/012045
    Typ Journal Article
    Autor Cronenberg G
    Journal Journal of Physics: Conference Series
    Seiten 012045
    Link Publikation
  • 2011
    Titel qBounce, the Quantum Bouncing Ball Experiment
    DOI 10.1016/j.phpro.2011.06.011
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Physics Procedia
    Seiten 4-9
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Probing neutron's electric neutrality with Ramsey Spectroscopy of gravitational quantum states of ultra-cold neutrons
    DOI 10.48550/arxiv.1105.6180
    Typ Preprint
    Autor Durstberger-Rennhofer K
  • 2010
    Titel Ramsey’s method of separated oscillating fields and its application to gravitationally induced quantum phase shifts
    DOI 10.1103/physrevd.81.065019
    Typ Journal Article
    Autor Abele H
    Journal Physical Review D
    Seiten 065019
    Link Publikation

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