Präzisionsmessung des permanenten elektrischen Dipolmoments des Xe-129-Atoms

• Antragsteller: Dr. Fabian Allmendinger
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569350435

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik ist strukturell vollständig und sehr erfolgreich in der Beschreibung fundamentaler Wechselwirkungen, kann jedoch zentrale Phänomene wie die beobachtete Baryonenasymmetrie des Universums, nicht vollständig erklären. Theoretische Modelle sagen ein wesentlich kleineres Verhältnis der Baryonen- zur Photonen-Dichte voraus als beobachtet, was zusätzliche CP-Verletzungen jenseits des Standardmodells erforderlich macht. Ein vielversprechender Ansatz zur Untersuchung neuer CP-verletzender Mechanismen sind Präzisionsmessungen permanenter elektrischer Dipolmomente (EDMs) fundamentaler oder zusammengesetzter Teilchen. Experimente an Elektronen, Neutronen, Atomen und Molekülen haben bereits strenge Einschränkungen für CP-verletzende Wechselwirkungen gesetzt. Es sind Messungen an unterschiedlichen Systemen erforderlich, um zwischen verschiedenen EDM-Beiträgen zu unterscheiden. Aktuelle globale Analysen von EDM-Limits unterstreichen die Notwendigkeit verbesserter Präzisionsmessungen, um den Parameterraum für neue physikalische Modelle weiter einzugrenzen. Das primäre Ziel des Projekts ist die Verbesserung der gegenwärtigen ¹²⁹Xe-EDM-Empfindlichkeit von 1,5 ⋅ 10^-27 (95% CL) um den Faktor 15, mit einer angestrebten Präzision von 1,0 ⋅ 10^-28 ecm (95% CL). Damit lassen sich hadronische und elektron-nukleonische CP-verletzende Wechselwirkungen, auf die diamagnetische Atome wie Xe-129 besonders empfindlich sind, weiter einschränken. Mehrere entscheidende experimentelle Verbesserungen wurden bereits umgesetzt, darunter eine neue magnetisch abgeschirmte Kammer (MSR), die eine elektro-magnetisch rauscharme Umgebung bietet und dank der geringen Feldgradienten (~1 pT/cm) lange Spinkohärenzzeiten ermöglicht. Diese Verbesserungen werden die Messgenauigkeit erhöhen, indem das Rauschniveau von nun 10 auf 1 fT/√Hz gesenkt wird und höhere Xe-129-Gasdrücke ermöglicht werden, ohne dabei die Kohärenzzeit zu beeinträchtigen. Ein sekundäres Ziel ist die Schaffung einer Grundlage für weitere hochpräzise EDM-Messungen, die schließlich Empfindlichkeiten von <1,0 × 10⁻²⁹ ecm (95% CL) erreichen sollen, vergleichbar mit dem ¹⁹⁹Hg-EDM-Limit. Die geplanten Experimente sollen im Rahmen eines größeren Forschungsverbundes stattfinden, an welchem sich auch Gruppen zu Neutron- und ¹⁹⁹Hg-EDM-Experimenten beteiligen. Synergieeffekte über das gemeinsame Messprinzip der Komagentometrie sollen dazu dienen, die systematischen Messunsicherheiten nochmals deutlich zu verbessern. Ein entscheidender Schritt in Richtung dieses langfristigen Ziels ist die Inbetriebnahme einer verbesserten EDM-Zelle, die für höhere elektrische Felder ausgelegt ist und gleichzeitig systematische Effekte minimiert. Durch die Verbesserung der Empfindlichkeit von 129Xe-EDM-Messungen zielt dieses Projekt darauf ab, strenge neue Limits für CP-Verletzung zu setzen und somit zur umfassenderen Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells beizutragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen