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

• Applicant: Professor Dr. Stephan Paul
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5447092

Mit der Entwicklung leistungsfähiger Quellen für ultrakalte Neutronen (UCN) kann dieEmpfindlichkeit vieler Experimente in der Grundlagenphysik mit Neutronen deutlichgesteigert werden. An erster Stelle des wissenschaftlichen Interesses stehen die Experimentezum Nachweis eines EDM des Neutrons. Hier soll die Nachweisgrenze um fast zweiGrößenordnungen auf ≈ 10-28 [ecm] herabgesetzt werden. Die derzeitige Obergrenze für einEDM des Neutrons liegt bei dn 6x10-26 [ecm]. Mit der Herabsetzung des statistischen Fehlersmüssen aber auch die apparativen Unsicherheiten entsprechend verringert werden, um diegeforderte Empfindlichkeit zu erhalten. Ein zentrales Problem ist die Weiterentwicklung desEDM Spektrometers basierend auf Ramsey‘s Prinzip der separaten Oszillatorenfelder.Gegenwärtig liegen die systematischen Grenzen bei ≈ 2x10-26 [ecm]. Die Ursachen sindverstanden. Es hat sich herauskristallisiert, dass die zeitliche Stabilität und die räumlicheHomogenität der Magnetfelder über dem Speichervolumen der UCNs deutlich verbessertwerden müssen, damit der Fehler an der Messgröße (Frequenz bzw. Phasenverschiebung) vonden 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 undFeldänderungen korreliert mit dem Umpolen des elektrischen Feldes zu unterscheiden ist. Indiesem Projekt soll eine Machbarkeitsstudie durchgeführt werden, die zeigen soll, dass diegewünscht Stabilisierung von Feldschwankungen durch a) äußere Kompensationsspulen mitaktiver Rückkopplung, b) einer 4-lagigen μ-Metall Abschirmkammer (vormals Teil der EDMApparatur(PNPI-Gatchina)) und c) inneren Spulen enstehend aus stromstabilisiertenHauptspulen und Korrekturspulen zur Erzielung hoher Feldhomogenität in einemTestvolumen von ca. 60 Litern, erzielt werden kann. Der Einsatz eines hochempfindlichen3He-Magnetometers (Zweikammersystem in Sandwichanordnung), das das Testvolumeneinschließt, soll zeigen, dass in diesem Raumgebiet integral auf Feldschwankungen voneinigen Femtotesla (fT) über typische Zeitdauern von ca. 5 min. (Dauer eines Spin-Präzessionszyklus) normiert werden kann. Diese Untersuchungen werden wichtige Parameterliefern zum Bau eines neuen Neutron-EDM Spektrometers mit dem sichNachweisempfindlichkeiten von δ dn ≈ 10-28 [ecm] erzielen lassen.

• DFG Programme: Research Grants