Frequency measurements testing Newton's Gravity Law with the Rabi-qBounce experiment

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau zur Gravitations-Resonanz-Spektroskopie realisiert, um Newtons Gravitationsgesetz bei kleinen Abständen zu überprüfen. Mit dem Aufbau können gravitativ gebundene, diskrete Zustände ultrakalter Neutronen studiert werden, die sich oberhalb eines Neutronenspiegels im Gravitationsfeld der Erde ausbilden. Die Zustände haben Eigenenergien, welche im pico-eV Bereich liegen und nur von der lokalen Erdbeschleunigung, der Neutronenmasse sowie der Plankschen Konstante abhängig sind. Gravitations-Resonanz-Spektroskopie ist eine neue Form der Spektroskopie, welche keine elektromagnetische Wechselwirkungen verwendet. Der neue Aufbau, angepasst an die Gravitation, basiert auf Rabis Methode zur Messung von Energiedifferenzen einzelner Quantenzustände. In dieser Arbeit wurden resonante Übergänge zwischen den Zuständen durch kontrollierte mechanische Oszillationen der Randbedingung mit variabler Stärke und Frequenz induziert. Der Aufbau besteht erstmals aus drei verschiedenen Regionen, wobei in der Wechselwirkungsregion auf einen oberen Spiegel verzichtet werden konnte, was ungestörte und damit systematisch reinere Zustände ermöglicht. Gleichzeitig konnte die Wechselwirkungszeit deutlich vergrößert werden, was sich in schmäleren Übergangen manifestiert. Mit diesem Aufbau konnte der Übergang zwischen dem Grund- und dem dritten Zustand sowie erstmals zwischen dem Grund- und dem vierten Zustand angeregt und mit einer Energiedifferenz Delta E13 = h*((464.1+1.1-1.2) Hz) bzw. Delta E14= h*((648.8+1.5-1.6) Hz) beobachtet werden. Zum ersten Mal konnte auch die ursprüngliche Zustandsbesetzung bei Resonanz wieder hergestellt werden, nämlich bei dem Übergang zwischen Grund- und drittem Zustand. Dabei wurde keine Dekohärenz der Zustande beobachtet. Da die Wellenfunktionen als Lösungen der Schrödingergleichung für das lineare Gravitationspotential eine vertikale Ausdehnung von einigen dutzend Mikrometern haben, ist das System äußert sensitiv auf Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz bei diesen Längenskalen. Zahlreiche theoretische Modelle, welche das Standard Modell der Teilchenphysik erweitern sollen, sowie Dunkle Materie und Dunkle Energie erklären wollen, sagen solche Abweichungen vorher. Mit dem hier präsentierten Aufbau konnten Grenzen für die Existenz eines neuen Skalarfeldes abgeleitet werden. Dieses sogenannte Chamäleon-Feld wurde eingeführt, um Dunkle Energie zu erklären. Seine Existenz würde die Energieniveaus der Gravitationszustände und damit der Übergangsfrequenzen in bestimmter Weise beeinflussen. Des weiteren wurden generische Abweichungen untersucht, welche durch Kräfte mit einer Yukawa-artigen Wechselwirkung herrühren. Da neue Kräfte sehr wahrscheinlich das Einsteinsche Äquivalenzprinzip verletzen, wird das Experiment auch als Test des universellen freien Falls betrachtet. Der neue, verfeinerte Aufbau, basierend auf Rabi Spektroskopie, besteht aus drei verschiedenen Regionen, wobei in der Wechselwirkungsregion auf einen oberen Spiegel verzichtet werden konnte, was ungestörte und damit systematisch reinere Zustände ermöglicht. Gleichzeitig konnte die Wechselwirkungszeit deutlich vergrößert werden, was sich in schmäleren Übergangen manifestiert. Mit diesem Aufbau konnte der Übergang zwischen dem Grund- und dem dritten Zustand, sowie erstmals zwischen dem Grund- und dem vierten Zustand angeregt und beobachtet werden. Zum ersten Mal konnte auch die ursprüngliche Zustandsbesetzung bei Resonanz wieder hergestellt werden, nämlich bei dem Übergang zwischen Grund- und drittem Zustand. Da die Wellenfunktionen eine vertikale Ausdehnung von einigen dutzend Mikrometern haben, ist das System äußert sensitiv auf Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz bei diesen Längenskalen. Zahlreiche theoretische Modelle, welche das Standard Modell der Teilchenphysik erweitern sollen, sowie Dunkle Materie und Dunkle Energie erklären wollen, sagen solche Abweichungen vorher. Mit dem hier präsentierten Aufbau konnten Grenzen für die Existenz eines neuen Skalarfeldes abgeleitet werden. Dieses sogenannte Chamäleon-Feld wurde eingeführt, um Dunkle Energie zu erklären. Seine Existenz würde die Energieniveaus der Gravitationszustände und damit der Übergangsfrequenzen in bestimmter Weise beeinflussen. Des weiteren wurden generische Abweichungen untersucht, welche durch Kräfte mit einer Yukawa-artigen Wechselwirkung herrühren. Da neue Kräfte sehr wahrscheinlich das Einsteinsche Äquivalenzprinzip verletzen, wird das Experiment auch als Test des universellen freien Falls betrachtet.

In this thesis a new experiment for Gravity Resonance Spectroscopy is presented to study Newton's inverse square law of gravitation at short distances. It allows to observe the gravitationally bound discrete states of ultra-cold neutrons, which they form when confined above a mirror in the gravity potential of the Earth. The eigen energies, which are in the pico-eV range, are functions of the local acceleration, the neutron mass and the Planck's constant. Gravity Resonance Spectroscopy is a new form of spectroscopy, which does not use electromagnetic interaction. The new setup, adapted for gravitation, is based on Rabi's method gives access to the energy differences of quantum states by measuring the transition frequencies upon which resonant excitation occurs. In this case, the excitations are driven by controlled mechanical oscillations of the boundary conditions with variable strength and frequency imposed by the confining neutron mirror. For the first time the Rabi-like setup features three distinct regions without an additional mirror on top in the interaction region, allowing for an undisturbed and hence systematically well-defined wave function. Additionally the interaction time could be significantly increased, which leads to narrower transitions. The experimental techniques for the new kind of setup with increased complexity were refined and implemented. These include alignment measurements and assessment as well as oscillation control and confinement. With this setup, transitions between the ground and the third gravitational state and for the first time between the ground and the fourth state were excited and observed with an energy difference of Delta E13 = h*((464.1+1.1-1.2) Hz) and Delta E14= h*((648.8+1.5-1.6) Hz) Also for the first time, a full state reversal could be induced and observed namely for the transition between the ground and third state. No decoherence of the states was observed. The wave functions have a vertical size of a few dozens of microns, and the system is sensitive to any deviations from Newton's inverse square law at these distances. Sources of such hypothetical deviations are an active field of research as they might give access to new extensions of the standard model of particle physics and explain the matter and energy content of the universe. With this setup, limits on chameleon fields, a new scalar field, which is considered as an attractive dark energy candidate, could be derived. Its existence would lead to energy shifts of the gravitational states, which have a clear signature in the transition frequencies. Also, generic deviations in form of forces with a Yukawa-like interaction potential are studied. As any new force is likely to violate the Einstein equivalence principle, the experiment can be interpreted as a universally free-fall test.