Interference experiment with slow neutrons : a feasibility study of Lloyd’s mirror at the Institut Laue-Langevin

Abstract

Lloyds Spiegel wie er von Humphrey Lloyd 1831 beschrieben wurde ist ein vielseitiges optisches Instrument. Heutzutage findet es vor allem in den Gebieten der Unterwasserakustik und der optischen Oberflächenanalyse Verwendung. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit einer Umsetzung von Lloyds Spiegel mit sehr kalten Neutronen untersucht. Aufgrund offener Fragen wie z.B. der scheinbaren Inkompatibilität von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, dem Phänomen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, und der Antimaterie-Materie Asymmetrie, werden neuartige Experimente benötigt, die Einblick geben in bisher nicht untersuchte Parameterbereiche. Eine Umsetzung von Lloyds Spiegel mit sehr kalten Neutronen könnte einen solchen Einblick eröffnen, wie in Pokotilovski (2011) und in Pokotilovski (2013b) vorgeschlagen. In dieser Arbeit wird das quantenmechanische Verhalten von Neutronen untersucht, die eine Region mit einem vertikal ausgerichteten Spiegel durchqueren, um Bedingungen einer experimentellen Umsetzung abzuleiten. Darauf aufbauend wird eine Simulation des erwarteten Interferogram vorgestellt, um die benötigte Messzeit abzuschätzen. In Übereinstimmung mit den theoretischen Überlegungen wird ein NeutronenoptikAufbau,wieeramInstitut Laue-Langevin umgesetzt wurde und welcher den Neutronenstrahl für das Interferometer aufbereitet, vorgestellt. Abschließend werden Entwicklungen einer ortsaufgelösten Detektion von Neutronen mithilfe von Bor-beschichteten CR39 Plättchen präsentiert, wie sie für dieses Experiment benötigt werden.

The Lloyds mirror as described by Humphrey Lloyd in 1831 is a simple but powerful instrument in optical studies. Todays foremost applications are the optical inspection of flat surfaces and as a tool in underwater acoustics. This thesis discusses and investigates the feasibility of an implementation of Lloyds mirror with very-cold neutrons. Due to current open questions in physics as for example the apparent incompatibility of general relativity and quantum mechanics, the phenomenon of dark energy and dark matter, and matter antimatter asymmetry, novel experimental insights into yet unexplored parameter spaces are needed. Lloyds mirror realized with matter wave especially very-cold neutrons could offer such new insights as proposed in Pokotilovski (2011) and in Pokotilovski (2013b). In this thesis the quantum mechanical behavior of neutrons that transverse a region in front of a mirror is studied theoretically to infer the requirements of an experimental realization. It is concluded with a simulation of the expected interferogram to estimate the required measurement time. In accordance with the theoretical studies, the results of an experimental realization of the required beam preparation section at the very-cold neutron beam at the PF2 at the Institut Laue-Langevin are presented. Finally, a spatial detection mechanism using boron-based CR39 imaging plates adapted to the needs of this experiment is demonstrated.