Ramsey spectroscopy of gravitationally bound quantum states of ultracold neutrons

Abstract

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt erfolgreich drei der vier bekannten Grundkräfte der Physik. Lediglich die vergleichsweise schwache Gravitation entzieht sich bisher einer quantenmechanischen Beschreibung, sowie einer Einbindung in das Standardmodell. Obwohl die allgemeine Relativitätstheorie als Beschreibung der Gravitation und als Eckpfeiler moderner Kosmologie äußerst erfolgreich ist, werfen starke Hinweise auf die Existenz dunkler Energie und dunkler Materie neue Fragen auf. Neutronen bieten sich auf Grund ihrer geringen elektrischen Polarisierbarkeit und ihrer verschwindenden elektrischen Ladung an, um die Gravitation bei kleinen Abständen zu testen: Im Gravitationsfeld der Erde können ultrakalte Neutronen gebundene Zustände annehmen. Diese Zustände sind quantenmechanischer Natur und ihre Eigenenergien nicht äquidistant. Daher lassen sie den Einsatz spektroskopischer Methoden zu. Dies macht sich das qBounce Experiment zu Nutze, um die Eigenenergien der ultrakalten Neutronen sehr genau zu vermessen. In bisherigen qBounce Experimenten wurden Rabi-artige spektroskopische Experimente realisiert, was zum Beispiel zu Grenzen auf Dark Energy und Dark Matter Modelle führte --- diese würden die Eigenenergien des Neutrons beeinflussen. Diese Arbeit beschreibt den logischen Schritt um die Präzision der qBounce Experimente weiter zu erhöhen: Die erstmalige Realisierung von Norman F. Ramseys Methode separierter oszillierender Felder zur Anwendung auf quantenmechanische Zustände der Neutronen im Gravitationsfeld der Erde. Gleichzeitig stellt das Experiment (nach Kenntnis des Autors) die erste Umsetzung von Ramsey's Methode dar, welche nicht auf elektromagnetischer Wechselwirkung (sondern auf mechanischen Oszillationen) beruht. Aufgrund der Erweiterung von einem Rabi-artigen auf einen Ramsey-artigen Experimentaufbau und dem damit einhergehenden erhöhten Platzbedarf, wurde dafür ein vollkommen neues Instrument realisiert. Das Ramsey-Experiment mit fünf aneinandergereihten Neutronenspiegeln wurde geplant, gebaut und in Betrieb genommen. Es gelang der erste Nachweis von Ramseys Resonanzmethode mit gravitativ gebundenen, ultrakalten Neutronen und mechanisch oszillierenden Neutronenspiegeln.

The Standard Model of particle physics successfully describes three of the four fundamental forces in physics. Only gravitation, which is comparatively weak, eludes a quantum mechanical description as well as an embedding into the Standard Model. Although general relativity is a successful description of gravitation and a cornerstone of modern cosmology, new questions arise by strong indications of the existence of dark energy and dark matter. Due to their small electrical polarisability and their vanishing electrical charge, neutrons represent excellent test particles to test gravitation at short distances: Ultracold neutrons can form bound states in the gravity potential of the Earth. These states are formed due to quantum mechanics and are non-equidistant. Therefore, spectroscopic methods are applicable. The qBounce experiment takes advantage of this feature to measure the eigenenergies of the ultracold neutrons very precisely. Rabi-like spectroscopic methods have been realised in previous qBounce experiments, which lead for example to limits on dark energy and dark matter models that would alter the eigenenergies of the neutrons. This thesis presents the next logical step to further increase the precision of qBounce experiments: The realisation of Norman F. Ramsey's method of separated oscillatory fields applied to quantum mechanical states of neutrons in the gravitational field of the Earth. In addition, the experiment presented is (to the author's best knowledge) the first realisation of Ramsey's method that is not based on electromagnetic interaction but purely on mechanical oscillations. Due to the extension from a Rabi-like to a Ramsey-like setup and the increased required space, a whole new instrument was developed. The Ramsey experiment, consisting of five aligned neutron mirrors, was planned, constructed, and put into operation. The first proof of Ramsey's method with gravitationally bound, ultracold neutrons and mechanically oscillating neutron mirrors succeeded.