Konzeption, Entwicklung und Test einer Apparatur zur Messung der elektrischen Ladung des Neutrons

Die elektrische Ladung des Neutrons ist eng mit der Frage nach der Existenz der Ladungsquantisierung verknüpft: Sollte das Neutron eine Ladung tragen, kann die Ladung nicht in Einheiten der Elementarladung e quantisiert sein.rnrnIm Rahmen der Elektrodynamik und des minimalen Standardmodells ist die Quantisierung der Ladung nicht enthalten. Eine mögliche Neutronenladung würde ihnen also nicht widersprechen. Allerdings geht sie aus den Weiterentwicklungen dieser Modelle hervor. Die sogenannten Grand Unified Theories sagen die Möglichkeit des Protonenzerfalls vorher. Dieser ist nur möglich, wenn die Ladung quantisiert ist.rnrnDurch die Messung einer elektrischen Ladung des Neutrons können die verschiedenen Theorien überprüft werden.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur entwickelt, mit der die elektrische Ladung des Neutrons gemessen werden kann. Als Grundlage diente das Prinzip einer Messung von 1988. Mit einem flüssigen Neutronenspiegel aus Fomblin ist es zum ersten mal überhaupt gelungen, einen flüssigen Spiegel für Neutronen einzusetzen. Durch diese und andere Verbesserungen konnte die Sensitivität der Apparatur um einen Faktor 5 im Vergleich zum Experimentrnvon 1988 verbessert werden. Eine mögliche Ladung des Neutrons kann mit δq_n = 2,15·10^(−20)·e/√day gemessen werden. rnrnDie Messung der elektrischen Ladung soll im Winter 2014 durchgeführt werden. Bis dahin soll die Präzision aufrnδq_n = 1,4·10^(−21)·e/√day erhöht werden.

Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Untersuchung der Ladung des Neutrons

Die Quantisierung der elektrischen Ladung ist eine der größten Fragestellungen der Physik, die bis heute nicht verstanden ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik ist sie beispielsweise nicht mathematisch inhärent erklärbar. Dadurch wäre es möglich, dass das Neutron eine winzige Ladung tragen kann. In dieser Arbeit wurde eine Apparatur auf Grundlage eines Vorgängerexperiments entwickelt, mit der eine Untersuchung der Ladung des Neutrons mit höchster Präzision durchgeführt werden kann. Dabei werden ultrakalte Neutronen in einem optischen System einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektrodenplatten ausgesetzt. In der ersten Ladungsmessung mit dieser Apparatur konnte eine statistische Sensitivität von δq≈2,4∙10⁻²⁰ e/√d erreicht werden. Diese Sensitivität ist die höchste, die bisher mit ultrakalten Neutronen für eine Ladungsmessung erreicht werden konnte. In dieser Arbeit wurde das Konzept des Vorgängerexperiments grundlegend überarbeitet, um die Sensitivität der Apparatur zu erhöhen. Es wurden detaillierte Untersuchungen der Systematik der Apparatur durchgeführt und das theoretische Potential der Sensitivität von derzeit δq≈10⁻²¹ e/√d ermittelt. Mit dieser Apparatur wurde der Grundstein für die Messung einer neuen niedrigeren oberen Grenze der elektrischen Ladung des Neutrons gelegt. In nächster Zeit kann dadurch eine niedrigere obere Grenze für die Ladung des Neutrons von q≈10⁻²² e erzielt werden.

Measurement of the neutron beta decay asymmetry using ultracold neutrons

The free neutron beta decay correlation A₀ between neutron polarization and electron emission direction provides the strongest constraint on the ratio λ = g_A/g_V of the Axial-vector to Vector coupling constants in Weak decay. In conjunction with the CKM Matrix element V_ud and the neutron lifetime τ_n, λ provides a test of Standard Model assumptions for the Weak interaction. Leading high-precision measurements of A₀ and τ_n in the 1995-2005 time period showed discrepancies with prior measurements and Standard Model predictions for the relationship between λ, τ_n, and V_ud. The UCNA experiment was developed to measure A₀ from decay of polarized ultracold neutrons (UCN), providing a complementary determination of λ with different systematic uncertainties from prior cold neutron beam experiments. This dissertation describes analysis of the dataset collected by UCNA in 2010, with emphasis on detector response calibrations and systematics. The UCNA measurement is placed in the context of the most recent τ_n results and cold neutron A₀ experiments.

Investigation of a superthermal ultracold neutron source based on a solid deuterium converter for the TRIGA Mainz reactor

Research in fundamental physics with the free neutron is one of the key tools for testing the Standard Model at low energies. Most prominent goals in this field are the search for a neutron electric dipole moment (EDM) and the measurement of the neutron lifetime. Significant improvements of the experimental performance using ultracold neutrons (UCN) require reduction of both systematic and statistical errors.rnThe development and construction of new UCN sources based on the superthermal concept is therefore an important step for the success of future fundamental physics with ultracold neutrons. rnSignificant enhancement of today available UCN densities strongly correlates with an efficient use of an UCN converter material. The UCN converter here is to be understood as a medium which reduces the velocity of cold neutrons (CN, velocity of about 600 m/s) to the velocity of UCN (velocity of about 6 m/s).rnSeveral big research centers around the world are presently planning or constructing new superthermal UCN sources, which are mainly based on the use of either solid deuterium or superfluid helium as UCN converter.rnThanks to the idea of Yu.Pokotilovsky, there exists the opportunity to build competitive UCN sources also at small research reactors of the TRIGA type. Of course these smaller facilities don't promise high UCN densities of several 1000 UCN/cm³, but they are able to provide densities around 100 UCN/cm³ for experiments.rnIn the context of this thesis, it was possible to demonstrate succesfully the feasibility of a superthermal UCN source at the tangential beamport C of the research reactor TRIGA Mainz. Based on a prototype for the future UCN source at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in munich, which was planned and built in collaboration with the Technical University of Munich, further investigations and improvements were done and are presented in this thesis. rnIn parallel, a second UCN source for the radial beamport D was designed and built. The comissioning of this new source is foreseen in spring 2010.rnAt beamport D with its higher thermal neutron flux, it should be possible to increase the available UCN densities of 4 UCN/cm³ by minimum one order of magnitude.

Messung des elektrischen Neutron-Formfaktors in der Reaktion 3 He(e,e'n)pp bei Q 2 = 1.58 (GeV/c) 2

Die elektromagnetischen Nukleon-Formfaktoren sind fundamentale Größen, welche eng mit der elektromagnetischen Struktur der Nukleonen zusammenhängen. Der Verlauf der elektrischen und magnetischen Sachs-Formfaktoren G_E und G_M gegen Q^2, das negative Quadrat des Viererimpulsübertrags im elektromagnetischen Streuprozess, steht über die Fouriertransformation in direkter Beziehung zu der räumlichen Ladungs- und Strom-Verteilung in den Nukleonen. Präzise Messungen der Formfaktoren über einen weiten Q^2-Bereich werden daher für ein quantitatives Verständnis der Nukleonstruktur benötigt.rnrnDa es keine freien Neutrontargets gibt, gestaltet sich die Messung der Neutron-Formfaktoren schwierig im Vergleich zu der Messung am Proton. Konsequenz daraus ist, dass die Genauigkeit der vorhandenen Daten von Neutron-Formfaktoren deutlich geringer ist als die von Formfaktoren des Protons; auch der vermessene Q^2-Bereich ist kleiner. Insbesondere der elektrische Sachs-Formfaktor des Neutrons G_E^n ist schwierig zu messen, da er aufgrund der verschwindenden Nettoladung des Neutrons im Verhältnis zu den übrigen Nukleon-Formfaktoren sehr klein ist. G_E^n charakterisiert die Ladungsverteilung des elektrisch neutralen Neutrons und ist damit besonders sensitiv auf die innere Struktur des Neutrons.rnrnIn der hier vorgestellten Arbeit wurde G_E^n aus Strahlhelizitätsasymmetrien in der quasielastischen Streuung vec{3He}(vec{e}, e'n)pp bei einem Impulsübertrag von Q^2 = 1.58 (GeV/c)^2 bestimmt. Die Messung fand in Mainz an der Elektronbeschleunigeranlage Mainzer Mikrotron innerhalb der A1-Kollaboration im Sommer 2008 statt. rnrnLongitudinal polarisierte Elektronen mit einer Energie von 1.508 GeV wurden an einem polarisierten ^3He-Gastarget, das als effektives, polarisiertes Neutrontarget diente, gestreut. Die gestreuten Elektronen wurden in Koinzidenz mit den herausgeschlagenen Neutronen detektiert; die Elektronen wurden in einem magnetischen Spektrometer nachgewiesen, durch den Nachweis der Neutronen in einer Matrix aus Plastikszintillatoren wurde der Beitrag der quasielastischen Streuung am Proton unterdrückt.rnrnAsymmetrien des Wirkungsquerschnitts bezüglich der Elektronhelizität sind bei Orientierung der Targetpolarisation in der Streuebene und senkrecht zum Impulsübertrag sensitiv auf G_E^n / G_M^n; mittels deren Messung kann G_E^n bestimmt werden, da der magnetische Formfaktor G_M^n mit vergleichsweise hoher Präzision bekannt ist. Zusätzliche Messungen der Asymmetrie bei einer Polarisationsorientierung parallel zum Impulsübertrag wurden genutzt, um systematische Fehler zu reduzieren.rnrnFür die Messung inklusive statistischem (stat) und systematischem (sys) Fehler ergab sich G_E^n = 0.0244 +/- 0.0057_stat +/- 0.0016_sys.

Estimating total cross sections from neutron-nucleus collisions using a simple functional form

Total cross sections for neutron scattering from nuclei, with energies ranging from 10 to 600 MeV and from many nuclei spanning the mass range 6Li to 238U, have been analyzed using a simple, three-parameter, functional form. The calculated cross sections are compared with results obtained by using microscopic (g-folding) optical potentials as well as with experimental data. The functional form reproduces those total cross sections very well. When allowance is made for Ramsauer-like effects in the scattering, the parameters of the functional form required vary smoothly with energy and target mass. They too can be represented by functions of energy and mass.

Regional field measurement of soil moisture content with neutron probe

The neutron logging method has been widely used for field measurement of soil moisture content. This non-destructive method permitted the measurement of in-situ soil moisture content at various depths without the need for burying any sensor. Twenty-three sites located around regional Melbourne have been selected for long term monitoring of soil moisture content using neutron probe. Soil samples collected during the installation are used for site characterisation and neutron probe calibration purposes. A linear relationship is obtained between the corrected neutron probe reading and moisture content for both the individual and combined data from seven sites. It is observed that the liner relationship, developed using combined data, can be used for all sites with an average accuracy of about 80%. Monitoring of the variation of soil moisture content with depth in six months for two sites is presented in this paper.

Distinguishing new science from calibration effects in the electron-volt neutron spectrometer VESUVIO at ISIS

The "standard" procedure for calibrating the Vesuvio eV neutron spectrometer at the ISIS neutron source, forming the basis for data analysis over at least the last decade, was recently documented in considerable detail by the instrument’s scientists. Additionally, we recently derived analytic expressions of the sensitivity of recoil peak positions with respect to fight-path parameters and presented neutron–proton scattering results that together called in to question the validity of the "standard" calibration. These investigations should contribute significantly to the assessment of the experimental results obtained with Vesuvio. Here we present new results of neutron–deuteron scattering from D2 in the backscattering angular range (theata > 90 degrees) which are accompanied by a striking energy increase that violates the Impulse Approximation, thus leading unequivocally the following dilemma: (A) either the "standard" calibration is correct and then the experimental results represent a novel quantum dynamical effect of D which stands in blatant contradiction of conventional theoretical expectations; (B) or the present "standard" calibration procedure is seriously deficient and leads to artificial outcomes. For Case(A), we allude to the topic of attosecond quantumdynamical phenomena and our recent neutron scattering experiments from H2 molecules. For Case(B),some suggestions as to how the "standard" calibration could be considerably improved are made.

Sensitivity of peak positions to flight-path parameters in a deep-inelastic scattering neutron TOF spectrometer

The effects of small changes in flight-path parameters (primary and secondary flight paths, detector angles), and of displacement of the sample along the beam axis away from its ideal position, are examined for an inelastic time-of-flight (TOF) neutron spectrometer, emphasising the deep-inelastic regime. The aim was to develop a rational basis for deciding what measured shifts in the positions of spectral peaks could be regarded as reliable in the light of the uncertainties in the calibrated flight-path parameters. Uncertainty in the length of the primary or secondary flight path has the least effect on the positions of the peaks of H, D and He, which are dominated by the accuracy of the calibration of the detector angles. This aspect of the calibration of a TOF spectrometer therefore demands close attention to achieve reliable outcomes where the position of the peaks is of significant scientific interest and is discussed in detail. The corresponding sensitivities of the position of peak of the Compton profile, J(y), to flight-path parameters and sample position are also examined, focusing on the comparability across experiments of results for H, D and He. We show that positioning the sample to within a few mm of the ideal position is required to ensure good comparability between experiments if data from detectors at high forward angles are to be reliably interpreted.

Measurement of anisotropies of the kinetic energy and anharmonicity in pyrolytic graphite by neutron Compton scattering

Neutron Compton scattering (NCS) measurements of the anisotropy of the momentum distribution and the mean Laplacian of the interatomic potential ∇2V have been performed using electron volt neutrons, with wave vector transfers between 24 Å−1 and 98 Å−1. The measured momentum distribution of the atoms displays significantly more anisotropy than a calculation using a model density of states. We have observed anisotropies in ∇2V for the first time. The results suggest that the atomic potential is harmonic within the graphite planes, but anharmonic for vibrations perpendicular to the planes.

Neutron Compton scattering from selectively deuterated acetanilide

With the aim of developing the application of neutron Compton scattering (NCS) to molecular systems of biophysical interest, we are using the Compton spectrometer EVS at ISIS to characterize the momentum distribution of protons in peptide groups. In this contribution we present NCS measurements of the recoil peak (Compton profile) due to the amide proton in otherwise fully deuterated acetanilide (ACN), a widely studied model system for H-bonding and energy transfer in biomolecules. We obtain values for the average width of the potential well of the amide proton and its mean kinetic energy. Deviations from the Gaussian form of the Compton profile, analyzed on the basis of an expansion due to Sears, provide data relating to the Laplacian of the proton potential. (C) 1998 Elsevier Science B.V. All rights reserved.