qBounce - vom Quantum Bouncer zur Gravitationsresonanzspektroskopie

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Spektrometer qBounce entwickelt, mit dessen Hilfe die Dynamik quantenmechanischer Wellenpakete im Gravitationsfeld der Erde studiert und erstmalig eine Resonanzmethode zur Untersuchung der Gravitation realisiert wurde. Die dazu verwendeten ultrakalten Neutronen bilden im Gravitationspotential der Erde quantenmechanische Zustände mit diskreten, nicht-äquidistanten Eigenenergien im Picoelektronenvolt-Bereich. Die Experimente erlauben die Überprüfung des Newton'schen Gravitationsgesetzes bei kleinen Abständen mit den hochpräzisen Messmethoden der Quantenmechanik. Die Messungen wurden in mehreren Experimentierzeiten am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich durchgeführt.<br />Der erste Teil der Dissertation beschreibt die erste experimentelle Untersuchung des Quantum Bouncers mit Neutronen. Als Quantum Bouncer wird ein quantenmechanisches Teilchen im Gravitationspotential bezeichnet, welches sich zeitlich entwickelt. Nach einer Darstellung des Messprinzips und der mathematischen Beschreibung wird auf die technische Realisierung der Experimente eingegangen. Einen großen Stellenwert nimmt hierbei die Weiterentwicklung hochauflösender Spurdetektoren sowie die Entwicklung eines automatisierten Ausleseverfahrens ein. Der Beschreibung der Messungen folgt eine ausführliche Analyse und Diskussion der gewonnenen Daten.<br />Im zweiten Teil der Dissertation wird die experimentelle Umsetzung einer resonanzspektroskopischen Methode in Verbindung mit dem Quantum Bouncer beschrieben. Diese stellt die erstmalige Realisierung einer Resonanzmethode zur Untersuchung der Gravitation dar. Nach einer Vorstellung verschiedener experimenteller Konzepte folgt eine mathematische Beschreibung der Anregung der Übergänge. Bei der sich anschließenden Erläuterung der technischen Umsetzung ist die Erzeugung kontrollierbarer und reproduzierbarer Vibrationen der verwendeten Neutronenspiegel besonders hervorzuheben. In mehreren durchgeführten Experimenten wurden alle möglichen Übergänge zwischen den ersten drei Eigenzuständen der gravitativ gebundenen Neutronen nachgewiesen. Diese Messungen werden ausführlich analysiert und diskutiert. Im letzten Abschnitt werden aus den Messungen neue experimentelle Grenzen auf hypothetische spinabhängige kurzreichweitige Wechselwirkungen abgeleitet. Diese verbessern die einzigen im Mikrometerbereich gemessenen Grenzen im Reichweitenbereich von 5 µm bis 50 µm um einen Faktor zwischen 14 und 149.<br />

In the scope of this thesis, the spectrometer qBounce was developed to study the time evolution of a quantum particle in the gravitational field of the Earth and to realise a resonance method to explore gravity. As test particles, ultra-cold neutrons were used. They form bound states in the gravity potential with discrete, non-equidistant eigenenergies in the range of peV. Therefore, the experiments allow for testing of Newton's Inverse Square Law at short distances with the precise measuring techniques of quantum mechanics.<br />The measurements were performed at the Institut Laue-Langevin in Grenoble, France.<br />The first part of this thesis describes the first experimental investigation of the Quantum Bouncer with neutrons. A Quantum Bouncer is a quantum particle in the gravity field, which evolves in time. After describing the principles of both measurement and the underlying mathematics, technical details on the realisation of the experiment are elaborated. At this point, the further development of track detectors with a spatial resolution of about two microns and the development of an automated readout process play a significant role. The description of the measurement is followed by a detailed data analysis and discussion.<br />The second part of the thesis deals with the experimental realisation of a resonance spectroscopy method linked with the Quantum Bouncer, which can also be regarded as the first realisation of such a method in order to explore gravity. Furthermore, the realised excitation of the gravitationally bound quantum states by means of mechanical vibrations results in the first resonance method that may not be described by electromagnetism. The presentation of different possible experimental designs is followed by a mathematical description of vibrationally induced transitions of quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field. Technical details of the set-up are provided, with the main focus being on the generation of controllable and reproducible vibrations of the used neutron mirrors. In various experiments, all possible transitions between the first three eigenstates of the gravitationally bound neutrons were substantiated. These measurements are analysed and discussed in full detail. In the last part, these measurements are used to set new experimental limits for the existence of hypothetical short-ranged spin-dependant interactions. The only existing limits measured in the micron range are constrained in a range from 5 µm to 50 µm by a factor of 14 to 149.