SPP 1491:  Precision experiments in particle- and astrophysics with cold and ultracold neutrons

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 130699104

Das Schwerpunktprogramm hat zum Ziel, mithilfe von Experimenten mit langsamen und ultrakalten Neutronen einige fundamentale Fragen in der modernen Teilchen- und Astrophysik zu beantworten. Zu diesen gehören das Verständnis der Naturkräfte und der damit verbundenen Symmetrien sowie Untersuchungen zur Gravitationskraft bei sehr kleinen Abständen.
Neue wissenschaftliche Einrichtungen und technologische Entwicklungen der jüngsten Zeit erlauben neue präzise Messungen, die bisherigen Untersuchungen in ihrer Präzision um ein bis zwei Größenordnungen überlegen sein werden. Dazu gehören neue Quellen für ultrakalte Neutronen und die Möglichkeit, an kalten Neutronenstrahlen neue Quellen für Zerfallsprodukte des Neutrons mit bisher unerreichter Quellstärke zu errichten. Der hiermit ermöglichte experimentelle Zugang ist entweder komplementär zu Experimenten an Hochenergiebeschleunigern wie dem LHC oder sogar einzigartig.
Das Forschungsprogramm ist auf vier Bereiche fokussiert, welche in direktem Zusammenhang mit Teilchen-/astrophysikalischen Fragestellungen stehen: Forschungsgebiet A: Verletzung der CP-Symmetrie und Teilchenphysik im frühen Universum (Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Neutrons); Forschungsgebiet B: Struktur und Natur der schwachen Wechselwirkung und mögliche Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik (Präzisionsexperimente zum Neutronenzerfall); Forschungsgebiet C: Beziehung zwischen Gravitation und Quantenphysik (Experimente zu quantisierten Zuständen im Gravitationsfeld); Forschungsgebiet D: Ladungsquantisierung und die Neutralität des Neutrons (Präzisionsbestimmung der Neutronenladung).
Neue und leistungsstarke Quellen für ultrakalte Neutronen (Neutronen mit Geschwindigkeiten kleiner als 5 m/s - sogenannte UCN) werden derzeit an verschiedenen Standorten aufgebaut. Neutronen mit diesen Geschwindigkeiten sind speicherbar und ermöglichen lange Beobachtungszeiten. Diese werden es erlauben, Untersuchungen zu hochpräzisen Experimenten über Gravitation und einem möglichen elektrischen Dipolmoment des Neutrons durchzuführen. Auf der anderen Seite erlaubt die detaillierte Untersuchung zum Neutronenzerfall, nach bisher eventuell nicht berücksichtigten Beiträgen neuer Kräfte in der schwachen Wechselwirkung zu suchen und die Erhaltung bekannter Symmetrien noch genauer zu untersuchen.
Diese Symmetrien (z.B. Zeitumkehr) sind u.a. verbunden mit der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum und theoretisch mit Prozessen bei sehr hohen Massenskalen. Auf der anderen Seite erlaubt der Test von Newtons Gravitationsgesetz hinunter zu sehr kleinen Abständen, nach neuen Extradimensionen im Mikrometerbereich zu suchen und eventuell neue Eichbosonen in ihnen aufzuspüren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Frankreich, Österreich, Schweiz

Projekte

• A non-depolarising neutron guide for PERC (Antragsteller Schmidt, Ulrich )
• Advanced control and manipulation of neutron beam intensity and polarisation in precsion neutron experiments (Antragsteller Jericha, Erwin )
• Calibration sources for proton spectroscopy in neutron decay (Antragsteller Soldner, Torsten )
• CASCADE, neutron detectors for highest count rates of cold and ultra-cold neutrons in combination with fast self-triggering readout electronics (Antragsteller Klein, Martin )
• Conduction of phase III of the project: Test of the electrical neutrality of the free neutron with a sensitivity of delta qn = 10-22 qe (Antragsteller Reich, Tobias )
• Construction of a neutron guiding component (further called 'neutron switch') for an experiment to measure the electric dipole moment of the neutron at the Paul Scherrrer Institut (PSI) in Villigen, Switzerland (Antragsteller Plonka-Spehr, Christian )
• Construction of a storage device for ultra-cold neutrons (UCN) using superconducting magnets for measuring the lifetime of the free neutron with the experiment PENeLOPE (Antragsteller Paul, Stephan )
• Defining polarised neutron beams in high-precision experiments with PERC (Antragsteller Jericha, Erwin )
• Development of a high-resolution optical magnetic-field sensor for experiments to measure the electric dipole moment of the neutron (Antragsteller Bison, Georg )
• Development of a miniaturized SQUID measuring systems for an experiment to measure the electric dipole moment of the neutron (Antragsteller Fierlinger, Peter )
• Development of a procedure to optimize magnetic shielding for spin precession experiments like nEDM (Antragsteller Burghoff, Martin )
• Development of a prototype shield for a new EDM experiment (Antragsteller Paul, Stephan )
• Development of new, non-depolarizating and high reflective coatings based on B-C-N compounds for application in fundamental neutron physics (Antragsteller Bräuer, Günter ;  Lauer, Thorsten )
• Development of simulation, data acquisition and analysis systems for the next-generation measurement of the neutron EDM (Antragsteller Marino, Michael )
• Electron and Proton spectroscopy for PERC (Antragsteller Abele, Hartmut )
• Entwicklung externer und interner Magnetfelder für ein EDM Experiment (Antragsteller Fierlinger, Peter )
• Experimental set-up and first measurements of the neutron lifetime using PENeLOPE (Antragsteller Paul, Stephan )
• Gravitational induced phase effects: Testing the Newtonian potential for a nonlocalized state and short-range interactions in the submicron range (Antragsteller Zawisky, Michael )
• Investigations of magnetic field related systematic effects on the measurements of the electric dipole moment of the neutron in the OILL-Experiment (Antragsteller Gutsmiedl, Erwin )
• Koordinatorprojekt (Antragsteller Paul, Stephan )
• Low-energy proton detection using silicon drift detectors, and precision measurements of the proton asymmetry in neutron decay (Antragsteller Zimmer, Oliver )
• Magnetometry at the fTesla-scale for neutron EDM experiments (Antragsteller Heil, Werner )
• Magnetometry at the fTesla-scale for neutron EDM experiments using a co-habiting Xenon magnetometer based on free spin precession (Antragsteller Heil, Werner )
• Measurement of the neutron lifetime using a hybrid magnetic trap for ultra-cold neutrons (Antragsteller Zimmer, Oliver )
• Messung des gebundenen Betazerfalls freier Neutronen (Antragsteller Paul, Stephan )
• Multi-chamber (co-)magnetometry with 199Hg for the next-generation measurement of the neutron EDM (Antragsteller Petzoldt, Gerd )
• Neutron polarisation and polarisation analysis with 10-4 accuracy and design of the beam line for PERC (Antragsteller Soldner, Torsten )
• Neutron polarizer for PERC (Antragsteller Märkisch, Bastian Martin )
• PERC, a clean, bright and versatile source of neutron decay products (Antragsteller Märkisch, Bastian Martin )
• Polarized ultra-cold neutrons in the next generation measurement of the neutron EDM (Antragsteller Fierlinger, Peter )
• Precision field characterization for the next generation measurement of the neutron EDM (Antragsteller Fierlinger, Peter )
• Precision magnetometry (Antragsteller Bison, Georg )
• Precision measurement of proton recoil spectrum and proton asymmetry in neutron decay using the spectrometer aSPECT (ILL contribution) (Antragsteller Zimmer, Oliver )
• Precision measurements of proton recoil spectrum and proton asymmetry in neutron decay using the spectrometer aSPECT (Mainz contribution) (Antragsteller Heil, Werner )
• Probing the electric neutrality of the neutron (Antragstellerin Durstberger-Rennhofer, Katharina )
• Realization of a magnetically shielded environment for a new measurement of the electric dipole moment of the neutron at the FRM-II and investigations of magnetic field related systematic effects (Antragsteller Fierlinger, Peter )
• Test of Gravitation with Quantum Objects by an Application of Ramsey´s Method of separated Oscillating Fields to Gravitationally Induced Quantum Phaseshifts (Antragsteller Abele, Hartmut )
• The electric field in the neutron EDM experiment (Antragsteller Gutsmiedl, Erwin )

• Sprecher: Professor Dr. Stephan Paul