Optimierung einer Testapparatur zur Erzeugung zeitlich konstanter und räumlich homogener Magnetfelder sowie Bau eines hochempfindlichen Magnetometers als Machbarkeitsstudie für zukünftige Experimente zur Messung des elektrischen Dipolmoments (EDM) des Neutrons

• Antragsteller: Professor Dr. Werner Heil
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5447090

Mit der Entwicklung leistungsfähiger Quellen für ultrakalte Neutronen (UCN) kann die Empfindlichkeit vieler Experimente in der Grundlagenphysik mit Neutronen deutlich gesteigert werden. An erster Stelle des wissenschaftlichen Interesses stehen die Experimente zum Nachweis eines EDM des Neutrons. Hier soll die Nachweisgrenze um fast zwei Größenordnungen auf ¿ 10-28 [ecm] herabgesetzt werden. Die derzeitige Obergrenze für ein EDM des Neutrons liegt bei dn 6x10-26 [ecm]. Mit der Herabsetzung des statistischen Fehlers müssen aber auch die apparativen Unsicherheiten entsprechend verringert werden, um die geforderte Empfindlichkeit zu erhalten. Ein zentrales Problem ist die Weiterentwicklung des EDM Spektrometers basierend auf Ramsey`s Prinzip der separaten Oszillatorenfelder. Gegenwärtig liegen die systematischen Grenzen bei ¿ 2x10-26 [ecm]. Die Ursachen sind verstanden. Es hat sich herauskristallisiert, dass die zeitliche Stabilität und die räumliche Homogenität der Magnetfelder über dem Speichervolumen der UCNs deutlich verbessert werden müssen, damit der Fehler an der Messgröße (Frequenz bzw. Phasenverschiebung) von den statistischen Unsicherheiten dominiert wird und nicht angelegten statistischen Magnetfeld (typisch 1 µT). Die Qualität der Normierung von Feldschwankungen, Stichwort: Magnetometrie, ist hier essentiell, wobei zwischen zufälligen Feldschwankungen und Feldänderungen korreliert mit dem Umpolen des elektrischen Feldes zu unterscheiden ist. In diesem Projekt soll eine Machbarkeitsstudie durchgeführt werden, die zeigen soll, dass die gewünscht Stabilisierung von Feldschwankungen durch a) äußere Kompensationsspulen mit aktiver Rückkopplung, b) einer 4-lagigen µ-Metall Abschirmkammer (vormals Teil der EDM-Apparatur (PNPI-Gatchina)) und c) inneren Spulen enstehend aus stromstabilisierten Hauptspulen und Korrekturspulen zur Erzielung hoher Feldhomogenität in einem Testvolumen von ca. 60 Litern, erzielt werden kann. Der Einsatz eines hochempfindlichen 3He-Magnetometers (Zweikammersystem in Sandwichanordnung), das das Testvolumen einschließt, soll zeigen, dass in diesem Raumgebiet integral auf Feldschwankungen von einigen Femtotesla (fT) über typische Zeitdauern von ca. 5 min. (Dauer eines Spin-Präzessionszyklus) normiert werden kann. Diese Untersuchungen werden wichtige Parameter liefern zum Bau eines neuen Neutron-EDM Spektrometers mit dem sich Nachweisempfindlichkeiten von ¿ dn ¿ 10-28 [ecm] erzielen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen