The charge of the neutron: a quantum mechanical electric charge measurement within the qBounce-Ramsey-setup

Abstract

Neutrale Teilchen formen gravitativ gebundene Quantenzustände über undurchdringlichen Flächen. Meistens aber überdecken Van-der-Waals Kräfte, Wechselwirkungen zwischen dem Teilchenspin und externen Magnetfeldern oder andere elektromagnetische Kräfte diesen Effekt komplett. Bis jetzt sind ultrakalte Neutronen die einzigen Teilchen, bei denen dieses Phänomen beobachtet wurde. Dieses einzigartige System ist sehr gut geeignet, um die Gravitation bei sehr kleinen Abständen (μm Skala) zu studieren und Vorhersagen von Theorien, die versuchen Quantenmechanik und die allgemeinen Relativitätstheorie zu verknüpfen, zu testen. Ein Beispiel für einer möglichen Messgröße für solche Tests: Im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik ist die elektrische Ladung des Neutrons exakt null. Neuartige Theorien, die das Standardmodell zu erweitern versuchen, sind nicht so strikt. Niedrigere Grenzen durch experimentelle Messungen können solche Theorien einschränken oder sogar ausschließen lassen und ermöglichen die Entwicklung neuer theoretischer Modelle zu unterstützen. Seit vielen Jahren entwickelt die qBounce Kollaboration die Technik der Gravitation-Resonanz- Spektroskopie (GRS), um diese gravitative gebundenen Quantenzustände zu erforschen und theoretische Modelle, die über das Standardmodell hinausgeht, an der ultrakalten Neutronenquelle PF2 des Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble zu testen. Für diese Dissertation wurden die ersten erfolgreichen Messungen am neuen Ramsey-artigen GRS Aufbau (dem sogenannten Ramsey-TR Setup) durchgeführt. Die erforschten Zustandsübergänge waren 1->3 und im Detail 2->4 mit den gemessenen Frequenzen von 462.71(30) Hz und 392.38(26) Hz, die aus einem gemeinsamen Fit bestimmt wurden. Eine vorangehende Rabi-artige Messung beobachtete zusätzlich den bis dahin unerforschten Übergang 2->5 bei 560.0(31) Hz. Dieser Ramsey-artige GRS Aufbau ermöglicht es auch, die elektrische Ladung des Neutrons selbst zu untersuchen. Im Gegensatz zu klassischen Experimenten mittels Ladungsablenkung kann dieser Aufbau Verschiebungen der Gravitationszustände der ultrakalten Neutronen in starken elektrischen Feldern detektieren. Dies ist eine neuartige und komplimentäre Messmethode. 2018 ergab eine Messkampagne am Übergang 2->4 mit Feldstärken bis zu 7.67 MV/m eine Neutronenladung im Wert von 2.7(33)x10^(-17) e bei einer angepassten Erdbeschleunigung von g = 9.784(13) m/s^2, welche einer Übergangsfrequenz von ν_24 = 392.01(35) Hz entspricht. Viele zusätzliche Messungen erforschten die Eigenschaften von verschiedenen Elektrodenmaterialen (Kupfer, Titan und Glasspiegel) und der großen Spiegelelektrode, die für die Ladungsmessung verwendet wurde, an einem speziellen Testaufbau am Atominstitut in Wien, um die Durchbruchsspannung für diese Elektroden zu finden. Diese Untersuchungen und andere Verbesserungen der letzten Jahre sagen voraus, dass die Genauigkeit der Ladungsmessung mit dem bestehenden Ramsey-TR Setup um einen Faktor von bis zu 75 im Vergleich zu der ersten Messung von 2018 verbessert werden kann. Ein zukünftiger weiterentwickelter Aufbau würde eine noch genauere Messung ermöglichen, welches sogar das derzeitige Limit übertreffen kann.

Neutral particles form gravitationally bound quantum states above flat impenetrable surfaces. However, in most cases van der Waals forces, couplings between particle’s spin and external magnetic fields or other electromagnetic interactions completely superpose this effect. Ultra-cold neutrons are the only ones yet where this phenomenon has been observed. This unique system is well suited to probe gravitation at short distances (μm scale) and test predictions of theories which try to connect quantum mechanics and general relativity. As an example for a possible observable: the electric charge of the neutron is zero within the framework of the Standard Model of particle physics. New theories exploring beyond this Standard Model are not that restrictive. Lower limits from measurements are able to constrain or even rule out such theories and enable to support the development of new theory models. Since many years the qBounce collaboration has developed the technique of Gravitational Resonance Spectroscopy (GRS) in order to study these gravitationally bound quantum states and to test theoretical models probing beyond the Standard Model at the PF2 UCN facility of the Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, France. During this thesis, I performed the first successful measurements with the novel Ramsey-type GRS setup (the so-called Ramsey-TR-setup) during its commissioning in 2018. The studied state transitions were 1->3 and in more detail 2->4 with their measured frequency values of 462.71(30) Hz and 392.38(26) Hz respectively using a common fit. A preceding Rabi-type measurement additionally observed the previously unexplored transition 2->5 at 560.0(31) Hz. This Ramsey-type GRS setup enables to test the electric neutrality of the neutron itself. Contrary to classical deflection experiments, this setup can detect shifts of the gravitational states of ultra-cold neutrons in the presence of strong electric fields which is a novel and complimentary technique. In 2018, a measurement campaign with field strengths up to 7.7(2) MV/m at the transition 2->4 probed the neutron’s electric charge to a value of 2.7(33)x10^(-17) e at the best fitted gravitational acceleration of g = 9.784(13) m/s^2 which corresponds to a transition frequency of ν_24 = 392.01(35) Hz. Many additional measurements probed the capabilities of different electrode materials (copper, titanium and mirrors) and the utilized large electrode at a dedicated test setup at the Atominstitut (ATI) in Vienna in order to search for the breakthrough voltages of these electrodes. These investigations and other improvements of the last years predict that the sensitivity of the charge measurement can be increased by a factor of 75 with the currently used Ramsey-TR-setup compared to the first measurement of its kind in 2018. A future improved setup can further increase the sensitivity which enables it to outperform the current best limit.