Studien zur Ramsey-Spektroskopie ultrakalter Neutronen im Rahmen des qBounce Experiments

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Studien zur neuesten Realisierung des qBounce -Experiments durchgeführt. Dieser Aufbau erlaubt Gravitationsresonanzspektroskopie nach der Ramsey-Methode durchzuführen. Dazu wurde das Experiment am Forschungsreaktor des Institut Laue-Langevin (ILL) in Frankreich teilweise aufgebaut. Im Speziellen wurde das neu gefertigte Gerüst aus Planaluminium, das einige für das Experiment notwendige Prismen und Sensoren hält, zusammengesetzt und getestet. Mit Hilfe des Gerüsts war es nun möglich, die Reglung der Neutronenspiegelhöhen zu implementieren, verbessern und quantifizieren. Die neue Regelung erlaubt nun die mittlere Stufenhöhe zwischen den einzelnen Regionen auf unter einen Mikrometer zu regeln. Ein weiterer Teil der Arbeit bestand darin, theoretische Überlegungen zum Experiment durchzuführen. Dazu wurde die Ramsey-Resonanzspektroskopie für die qBounce -Anwendung durchgerechnet. Insbesondere wurde die Erweiterung des Experiments auf mehrere vibrierende Regionen, sowie der Fall von Phasen und Frequenzverschiebungen zwischen den oszillierenden Regionen, betrachtet. Des Weiteren wurden neue Absorber ausgemessen und quantiziert, um die Rauheit mit jener der Absorber aus dem vorangegangenen Experiment vergleichen zu können. Dabei wurde eine weitestgehend Übereinstimmung mit den Vorgängern festgestellt, wobei doch ein nicht zu vernachlässigender Anstieg der mittleren Rauheit auszumachen war. Die für künftige spinabhängige Messungen nötigen Magnetfelder, werden mittels zweier Rahmenspulenpaare erzeugt. Die resultierenden Felder, sowie die auftretenden Temperaturanstiege wurden theoretisch berechnet und teilweise getestet, um sie entsprechend den Anforderungen dimensionieren zu können.

Within this master thesis, studies on the newest realisation of the qBounce- experiment have been done. With this version of the experiment it is possible to perform gravitation-resonance spectroscopy using the ramsey method of separated oscillatory helds. For this reason the experiment was set up at the research reactor at the Institut Laue-Langevin (ILL) in France. Especially the newly constructed aluminium frame, that holds some of te necessary prisms and sensors was assembled and testet. This made it possible to implement, improve and quantify the automatic control mechanism for the neutron mirror heights. The new machanims allows to maintain an average step-size of less than 1 micrometer. In another part of this thesis theoritical aspects of the experiment were considered. For this reason the ramsey-spectroscopy for the special case of the qBounce experiment was being calculated. In addition to this the effects of more than two oscillating regions as well as effects of phase and frequency differences between the oscillating regions were examined. Furthermore the new absorbers were being measured and quantified, to compare their properties to those of the previous experiment. The results are very similar to the old ones, except one can identify a non negligible increase of the roughness parameters. The magnetic felds for future spin dependent measurements are produced by a pair of coils with rectangular shape. The resulting magnetic elds of these coils, as well as their temperature rise were calculated theoretically and partially tested, in order to scale them properly.