qBounce - vom Quantum Bouncer zur Gravitationsresonanzspektroskopie
Jenke, Tobias - Technische Universität Wien (2011)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Spektrometer qBounce entwickelt, mit dessen Hilfe die Dynamik quantenmechanischer Wellenpakete im Gravitationsfeld der Erde studiert und erstmalig eine Resonanzmethode zur Untersuchung der Gravitation realisiert wurde. Die dazu verwendeten ultrakalten Neutronen bilden im Gravitationspotential der Erde quantenmechanische Zustände mit diskreten, nicht-äquidistanten Eigenenergien im Picoelektronenvolt-Bereich. Die Experimente erlauben die Überprüfung des Newton'schen Gravitationsgesetzes bei kleinen Abständen mit den hochpräzisen Messmethoden der Quantenmechanik. Die Messungen wurden in mehreren Experimentierzeiten am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich durchgeführt.
Der erste Teil der Dissertation beschreibt die erste experimentelle Untersuchung des Quantum Bouncers mit Neutronen. Als Quantum Bouncer wird ein quantenmechanisches Teilchen im Gravitationspotential bezeichnet, welches sich zeitlich entwickelt. Nach einer Darstellung des Messprinzips und der mathematischen Beschreibung wird auf die technische Realisierung der Experimente eingegangen. Einen großen Stellenwert nimmt hierbei die Weiterentwicklung hochauflösender Spurdetektoren sowie die Entwicklung eines automatisierten Ausleseverfahrens ein. Der Beschreibung der Messungen folgt eine ausführliche Analyse und Diskussion der gewonnenen Daten.
Im zweiten Teil der Dissertation wird die experimentelle Umsetzung einer resonanzspektroskopischen Methode in Verbindung mit dem Quantum Bouncer beschrieben. Diese stellt die erstmalige Realisierung einer Resonanzmethode zur Untersuchung der Gravitation dar. Nach einer Vorstellung verschiedener experimenteller Konzepte folgt eine mathematische Beschreibung der Anregung der Übergänge. Bei der sich anschließenden Erläuterung der technischen Umsetzung ist die Erzeugung kontrollierbarer und reproduzierbarer Vibrationen der verwendeten Neutronenspiegel besonders hervorzuheben. In mehreren durchgeführten Experimenten wurden alle möglichen Übergänge zwischen den ersten drei Eigenzuständen der gravitativ gebundenen Neutronen nachgewiesen. Diese Messungen werden ausführlich analysiert und diskutiert. Im letzten Abschnitt werden aus den Messungen neue experimentelle Grenzen auf hypothetische spinabhängige kurzreichweitige Wechselwirkungen abgeleitet. Diese verbessern die einzigen im Mikrometerbereich gemessenen Grenzen im Reichweitenbereich von 5 µm bis 50 µm um einen Faktor zwischen 14 und 149.