qBounce: Ramsey Spectroscopy Using Gravitationally Bound Quantum States of Neutrons

Abstract

qBounce uses Ultra Cold Neutrons (UCNs) in a mechanical spectrometer using Ramseys method of separated oscillating fields to investigate gravity.The UCNs are trapped by gravity on the surface of mirrors leading to discrete quantum states. By oscillating the mirrors transitions between these states can be induced. Using this method called Gravity Resonance Spectroscopy (GRS) high precision measurements of the local acceleration for the bound neutron have been performed. The neutron has no charge and a low polarizability when compared to also chargeless atoms.This limits the influence of Van der Waals forces on the bound states. The experiment is located at PF2 at the ILL in Grenoble and in 2018 the first proof of principle of this Ramsey type GRS was published. In the frame of this thesis improvements to the setup were implemented and precision measurements of transitions were performed in 2020 and 2021. The transitions could be addressed for the first time. The progress and the most recent high precision results for these transitions are presented and a host of systematic effects are analysed in detail outlining the limits of Ramsey GRS. Areas for further investigation and improvement both experimentally and theoretically are highlighted and discussed. Compared to the previous method using Rabis method an improvement in the statistical precision of unleashing the full potential of the current Ramsey GRS experiment.

qBounce verwendet Ultra Kalte Neutronen (UCNs) in einem mechanischen Spektrometer das "Ramseys method of separated oscillating fields" verwendet,um die gravitative Erdbeschleunigung zu untersuchen. Die UCNs bilden diskrete Energiezustände auf der Oberfläche von Neutronenspiegeln aus und Übergänge zwischen diesen werden durch mechanische Oszillationen angeregt. Mithilfe dieser Anregungen können Präzessionsmessungen der lokalen (Erd-) Beschleunigung der gebundenen Neutronen durchgeführt werden, eine Methode die "Gravity Resonance Spectroscopy" (GRS) genannt wird. Neutronen sind ladungslos und haben, im Vergleich zu Atomen, eine sehr geringe elektrische Polarisierbarkeit, wodurch der störende Einfluss von Van-der-Waals Kräften minimiert werden kann. Das Experiment befindet sich am PF2 Instrument der nuklearen Forschungseinrichtung ILL in Grenoble und 2018 wurde das erste Mal eine Machbarkeitsstudie der Ramsey GRS Methode veröffentlicht. Im Verlauf dieser Dissertation wurden Verbesserungen am Experiment vorgenommen und 2020 und 2021 Präzessionsmessungen von Übergängen durchgeführt. Die Übergänge konnten zum ersten Mal angeregt werden. Hier wird der aktuelle Stand des Experimentes für diese Übergänge präsentiert sowie diverse systematische Effekte analysiert und die aktuellen Limitierungen der Ramsey GRS Methode werden umrissen. Sowohl experimentelle als auch theoretische Verbesserungen werden hervorgehoben und diskutiert. Im Vergleich zu vorherigen Messungen, die Rabis Methode verwendeten, eine statistische Verbesserung zeigt das volle Potenzial der aktuellen Ramsey GRS Experiments.