Messung des magnetischen Moments des Protons zur Bestimmung fundamentaler Konstanten der Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts ist die Präzisionsmessung des magnetischen Moments des Protons. Als Prinzip kommt der von Dehmelt vorgeschlagene und auf das Elektron angewendete “Kontinuierliche Stern-Gerlach-Effekt” (Nobelpreis 1989) zur Anwendung. Dabei wird ein einzelnes Teilchen mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder in einer Penning-Falle gespeichert und auf eine Temperatur von T = 4 Kelvin abgekühlt. Eine elektronische Nachweismethode erlaubt es, ein einzelnes gekühltes Proton zerstörungsfrei nachzuweisen. Durch die Beobachtung von Quantensprüngen mit Hilfe von Radiofrequenzspektroskopie soll das magnetische Moment (der g-Faktor) des Protons gemessen werden. Das in den vergangenen Jahren aufgebaute Experiment wird es erlauben, den g-Faktor des freien Protons mit einer Genauigkeit von etwa 10-9 zu messen und damit einen Vergleich mit den zugrunde liegenden Theorien ermöglichen. Das Projekt wird somit wertvolle Daten zur Kenntnis der fundamentalen Konstanten der Physik zur Verfügung stellen. Das Messverfahren beruht darauf, dass ein einzelnes Proton im starken Magnetfeld einer Penning-Ionenfalle gespeichert und durch Beobachtung der in den Fallenelektroden induzierten Spiegelladungen nachgewiesen wird. Der g-Faktor gp (das magnetische Moment) des Protons wird bestimmt, indem die Larmor-Präzessionsfrequenz ωL und die Zyklotronfrequenz ωc experimentell gemessen werden. Wir haben eine experimentelle Apparatur aufgebaut, mit der ein einzelnes Proton in einer Penning-Ionenfalle gespeichert, auf eine Temperatur von T = 4 Kelvin abgekühlt und über Monate hinweg präzise untersucht werden kann. Wir haben neuartige Messmethoden entwickelt, mit deren Hilfe wir das magnetische Moments des Protons mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen wollen. Das magnetische Moment des Protons ist eine fundamentale Konstante der Physik, die beispielsweise in der Kernspintomographie eine wesentliche Rolle spielt. Das beschriebene Verfahren kann auch auf Antiprotonen angewendet werden. Durch einen Vergleich der magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons bei den hier angestrebten Genauigkeiten ist ein hochempfindlicher Test des CPT-Theorems, also der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Continuous Stern-Gerlach effect and the magnetic moment of the antiproton. Nucl. Instr. Meth. B 214, 207 (2004)
W. Quint, J. Alonso, S. Djekic, H.-J. Kluge, S. Stahl, T. Valenzuela, J. Verdú, M. Vogel, and G. Werth
- Penning trap measurement of the magnetic moment of the antiproton. LEAP05 Conference, 2005, Jülich, Germany, AIP Conference Proceedings 796, 260
J. Verdú, K. Blaum, S. Djekic, S. Kreim, W. Quint, S. Stahl, S. Ulmer, M. Vogel, J. Walz, and G. Werth
- Phase-sensitive measurement of trapped particle motions. J. Phys. B 38, 297 (2005)
S. Stahl, J. Alonso, S. Djekic, H.-J. Kluge, W. Quint, J. Verdú, M. Vogel, and G. Werth
- Developments for the direct determination of the g-factor of a single proton in a Penning trap. Proceedings LEAP08 Conference, Vienna
C.C. Rodegheri, K. Blaum, H. Kracke, S. Kreim, A. Mooser, C. Mrozik, W. Quint, S. Ulmer, J. Walz
