Search for a spin-dependent short-range force between nucleons with a 3 He, 129 Xe clock-comparison experiment

Light pseudoscalar bosons, such as the axion that was originally proposed as a solution of the strong CP problem, would cause a new spin-dependent short-range interaction. In this thesis, an experiment is presented to search for axion mediated short-range interaction between a nucleon and the spin of a polarized bound neutron. This interaction cause a shift in the precession frequency of nuclear spin-polarized gases in the presence of an unpolarized mass. To get rid of magnetic field drifts co-located, nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms were used. The free nuclear spin precession frequencies were measured in a homogeneous magnetic guiding field of about 350nT using LTc SQUID detectors. The whole setup was housed in a magnetically shielded room at the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlin. With this setup long nuclear spin-coherence times, respectively, transverse relaxation times of 5h for 129Xe and 53h for 3He could be achieved. The results of the last run in September 2010 are presented which give new upper limits on the scalar-pseudoscalar coupling of axion-like particles in the axion-mass window from 10^(-2) eV to 10^(-6) eV. The laboratory upper bounds were improved by up to 4 orders of magnitude.

Leichte pseudoskalare Bosonen, so wie das Axion, welches ursprünglich als Lösung für das starke CP Problem eingeführt wurde, würden eine neue spin-abhängige und kurzreichweitige Wechselwirkung verursachen. In dieser Doktorarbeit wird ein Experiment vorgestellt, welches nach einer solchen Wechselwirkung zwischen einem Nukleon und dem Spin eines polarisierten Neutrons sucht. Diese Wechselwirkung verursacht eine Verschiebung in der Präzessionsfrequenz von kernspinpolarisierten Gasen in Anwesenheit einer unpolarisierten Masse. Um Magnetfelddriften zu beseitigen werden zwei ko-lokalisierte kernspinpolarisierte Gase, 3He und 129Xe, verwendet. Die freien Kernspinpräzessionsfrequenzen werden in einem homogenen magnetischen Feld von etwa 350nT unter der Verwendung von LTc SQUID Detektoren gemessen. Der gesamte Aufbau befindet sich im magnetisch abgeschirmten Raum der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin. Mit diesem Aufbau konnten sehr lange Spinkohärenzzeiten bzw. transversale Relaxationszeiten von 5h für 129Xe und 53h für 3He erreicht werden. Die Ergebnisse der letzten Messperiode vom September 2010 werden in dieser Arbeit präsentiert. Diese liefern neue obere Grenzen für die skalare-pseudoskalare Kopplung von Axion ähnlichen Teilchen im Bereich des Axion-mass window, welches von 10^(-2)eV bis 10^(-6)eV reicht. Die bisherigen besten Obergrenzen konnten bis zu 4 Größenordnungen verbessert werden.