Realisation of quantum transport measurements with UCNs within the qBounce project

Abstract

In the course of this master thesis, quantum transport measurements of ultra-cold neutrons (UCNs) traversing an absorbing reflecting mirror system (ARMS) were realised. An ARMS consists of a flat neutron mirror and a second neutron mirror with a mechanically roughened surface (a scatterer). The scatterer is mounted at a distance h above the flat mirror, with its rough surface facing downwards. Within the Earth's gravitational field, UCNs form gravitationally bound states above a flat surface where total reflection occurs. The quantum transport properties of an ARMS are therefore defined by the interaction of these states with the surface disorder and this interaction depends on the characteristics of the surface disorder as well as on the neutron mirrors' material properties. To probe the quantum transport properties of such a system, the transmission through the system was measured in dependence of its slit height h, using different coating materials with different Fermi potentials. To prepare a well-defined phase space for the quantum transport measurements, a second ARMS driven in the classical regime with a slit height of around 200 µm was used as vectorial velocity filter. The phase space preparation was theoretically investigated by three-dimensional classical Monte Carlo simulations and experimentally by performing spatially resolved track detector measurements. The experimental setup was redesigned with respect to a preceding experiment performed in 2011. The new design allowed for a more efficient experimental performance by introducing the ability to change the distance between the bottom and the top mirrors without having to break the vacuum. This decreased the preparation time for every measurement tremendously. Furthermore, within this thesis, a detailed analysis of measurements performed on the rough surfaces of the differently coated scatterers is presented, to enable a better interpretation of the experimental results and to improve future simulations.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden quantenphysikalische Transportphänomene ultrakalter Neutronen (UCN) welche ein absorbierendes reflektierendes Spiegelsystem (ARMS) durchqueren, untersucht. Ein ARMS besteht aus einem Neutronenspiegel mit glatter Oberfläche und einem zweiten Neutronenspiegel mit mechanisch aufgerauter Oberfläche (einem Streuer). Der Streuer befindet sich im Abstand h über dem glatten Neutronenspiegel mit seiner rauen Oberfläche nach unten gerichtet. Da UCN im Gravitationsfeld der Erde über einer glatten, total reflektierenden Oberfläche gebundene quantenmechanische Zustände ausbilden, sind die Transporteigenschaften eines ARMS im quantenmechanischen Bereich von der Wechselwirkung dieser Zustände mit der Oberflächenrauheit bestimmt. Die Transporteigenschaften eines solchen Systems wurden untersucht indem die Transmission durch das System in Abhängigkeit seiner Schlitzhöhe h gemessen wurde. Zusätzlich wurden verschieden beschichtete Spiegel und Streuer verwendet. Die unterschiedlichen Beschichtungen stellen für UCN unterschiedliche Fermi-Potentiale dar und verändern daher die Transporteigenschaften des Systems. Um einen gut definierten Phasenraum am Eintritt in das ARMS zu gewährleisten wurde ein weites ARMS als vektorieller Geschwindigkeitsfilter verwendet. Der vektorielle Geschwindigkeitsfilter wurde mit einer Schlitzhöhe von etwa 200 µm und daher im klassischen Bereich eingestellt. Die Phasenraumpräparation wurde theoretisch mittels dreidimensionaler, klassischer Monte-Carlo-Simulationen und experimentell durch ortsauflösende Spurdetektormessungen überprüft. Das Design des Experimentsetups wurde, im Vergleich zu vorhergehenden Messungen durchgeführt 2011, überarbeitet. Im Detail wurde die Möglichkeit die Schlitzhöhe ohne Öffnen der Vakuumkammer einzustellen eingeführt. Dies verkürzte die Vorbereitungszeit der einzelnen Messungen enorm und erlaubte daher die Durchführung einer größeren Anzahl an Messungen im selben Zeitraum. Des Weiteren sind in dieser Arbeit Auswertungen von Messergebnissen der Oberflächenrauheiten der verwendeten Streuer präsentiert. Sie sollen zur Genauigkeit zukünftiger Simulationen beitragen und in die Auswertung und Interpretation der Quantentransportmessungen einfließen.