Magnetisches Moment des Protons

Ziel dieses Experiments ist die Messung des g-Faktors des Protons mit höchster Präzision. Dazu wird ein einzelnes Proton in einer Penning-Falle mit einem supraleitenden Magneten gespeichert und mit Hochfrequenz-Spektroskopie untersucht. Die Falle wird auf 4 Kelvin abgekühlt, das sind wenige Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt. Dies ermöglicht praktisch unbegrenzt lange Speicherzeiten in der Penning-Falle und den rauscharmen nicht-destruktiven Hochfrequenz-Nachweis des einzelnen Protons. Der Nachweis des Protons erfolgt mit hochempfindlichen supraleitenden Detektoren [1].

Motivation

Das magnetische Moment des freien Protons wurde bislang noch nie direkt gemessen, sondern indirekt aus der Hyperfein-Aufspaltung eines Wasserstoff Masers in einem Magnetfeld. Basierend auf dieser Messung an Wasserstoff kann der g-Faktor des freien Protons theoretisch extrahiert werden. Gelingt die Messung des g-Faktors des freien Protons, können alle verwendeten Techniken auf entsprechende Messungen mit Antiprotonen übertragen werden. Ein präziser Vergleich der magnetischen Momente von Proton und Antiproton würde einen weiteren wichtigen Präzisionstest der grundlegenden Materie-Antimaterie Symmetrie (auch CPT Symmetrie) mit einer Vektorgröße darstellen.

^ nach oben

Prinzip

Der g-Faktor des in einer Penning-Falle gespeicherten Protons wird aus dem Verhältnis von zwei gemessenen Frequenzen bestimmt, der Larmor-Frequenz und der Zyklotron-Frequenz.
Die Larmor-Frequenz ist die Präzessionsfrequenz des Spins in einem externen Magnetfeld. Zur Messung wird ein magnetisches Hochfrequenz-Feld angelegt, das bei Resonanz den Protonen-Spin umklappt.
Die Zyklotron-Frequenz ist die Frequenz der schnellen Kreisbewegung des Protons im externen Magnetfeld. Die Bewegung eines Protons induziert Ströme in den Fallenelektroden. Zur Bestimmung der Zyklotronfrequenz werden diese winzigen Ströme mit supraleitenden Nachweis-Systemen direkt gemessen.
Über die Zyklotron-Frequenzmessung wird das Proton selbst als Präzisions-Magnetometer für das externe Magnetfeld verwendet.

^ nach oben

Messung des Protonen-Spins

Zur Messung der Larmor-Frequenz muss die Richtung des Protonen-Spins bestimmt werden. Dazu wird der Spin des Protons an die axiale Bewegung in der Falle gekoppelt. Dies geschieht durch ein inhomogenes Magnetfeld das der Penning-Falle überlagert wird, eine sogenannte magnetische Flasche. Je nach Spin-Stellung wird die axiale Frequenz erhöht oder verringert. Diese winzige Frequenzänderung ist das Mess-Signal für die Spin-Richtung des Protons.

Dieses grundlegende Messprinzip wird als kontinuierlicher Stern-Gerlach-Effekt bezeichnet, und wurde von Dehmelt und Mitarbeitern in den 80-er Jahren für die Messung des magnetischen Moments des Elektrons entwickelt.

Die besondere Schwierigkeit bei unserem Experiment besteht darin, dass das magnetische Moment des Protons etwa 660-mal kleiner ist als das des Elektrons. Das Mess-Signal ist folglich wesentlich kleiner, was den Nachweis des Protonen-Spins zu einer großen Herausforderung macht. Verglichen mit den Messungen zum magnetischen Moment des Elektrons muss die experimentelle Empfindlichkeit tausendfach gesteigert werden, um die Spin Richtung des Protons messen zu können. Dafür wurde eine Penning-Falle entwickelt, der die stärkste magnetische Inhomogenität überlagert ist, in der je ein geladenes Teilchen gespeichert werden konnte. Verschiebt man das Proton um 1.5mm entlang der Fallenachse, ändert sich das Magnetfeld bereits um 1 Tesla. Das Umklappen des Protonen-Spins in dieser Inhomogenität ändert die axiale Frequenz des Teilchens um weniger als ein Millionstel.

Die starke "magnetische Flasche" wird benötigt, um die Richtung des Protonen-Spins zu messen. Allerdings reduziert die magnetische Feldinhomogenität die prinzipiell erreichbare Messgenauigkeit. Diese Problem wird gelöst, indem die Doppel Penning-Fallen Technik angewandt wird. Der Nachweis des Protonen-Spins und die Präzisionsmessung der Frequenzen des Protons werden räumlich separiert. Die Richtung des Protonen-Spins wird in der "Analysefalle" gemessen, der die starke magnetische Feldinhomogenität überlagert ist, während die Präzisionsmessung der Zyklotron-Frequenz in der "Präzisionsfalle" erfolgt. Zwischen den einzelnen experimentellen Schritten wird das Proton mit "Transportelektroden" adiabatisch zwischen den beiden Fallen hin und her transportiert.

^ nach oben

Aufbau des Fallenturms

Die Abbildung 1 zeigt den Doppel Penning-Fallenturm, der aus übereinander montierten zylindrischen Fallenelektroden besteht. Der Fallenturm ist auf einem Vakuum-Flansch montiert, der links in der Abbildung zu sehen ist. Auf diesem befinden sich elektrische Durchführungen mit denen die Hochfrequenz-Signale und Fallenspannungen zur Falle geführt werden. Rechts vom Fallenturm befindet sich das Abschirm-Gehäuse mit dem Hochfrequenz-Schwingkreis und dem Nachweis-Verstärker für die Zyklotron-Frequenz. Die gesamte Konstruktion ist etwa 20cm hoch.

Abbildung 1: Doppel Penning-Fallenturm - für größere Version klicken

^ nach oben

Stand des Experiments

Vor kurzem ist der erstmalige Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen in einer Penning-Falle gespeicherten Protons gelungen [2]. Dies ist der wichtigste Durchbruch auf dem Weg zur direkten Messung des g-Faktors des Protons und des Antiprotons. In der Analysefalle wurde die Spin-Übergangsrate als Funktion der Frequenz des eingestrahlten magnetischen Hochfrequenz-Feldes gemessen. Das Resultat dieser Messung ist in der unteren Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2: Spin-Übergangsrate als Funktion der Frequenz des eingestrahlten magnetischen Hochfrequenz-Feldes gemessen

Dies entspricht einer Messung der Larmor-Frequenz des Protons mit einer Genauigkeit von 0.1 Tausendstel. Mit dieser Messung könnte der g-Faktor des Antiprotons bereits um einen Faktor 10 verbessert werden. Gegenwärtig laufen in unserem Labor Messungen, die eine Verbesserung um mindestens einen weiteren Faktor 10 erlauben.

Der nächste experimentelle Schritt ist der Nachweis von Spin-Quantensprüngen in der Präzisionsfalle. Diese Methode wird die erstmalige direkte Präzisionsmessung der magnetischen Moments des freien Protons mit einer Genauigkeit von 10^-9 oder besser ermöglichen.

Perspektiven

Nach dem ersten erfolgreichen Nachweis von Spin-Quantensprüngen einzelner gespeicherter Protonen, wird nun eine neue Apparatur konstruiert, mit der unsere Methode zur Messung des magnetischen Moments eines einzelnen Antiprotons eingesetzt werden soll. Unser ehemaliger Doktorand und jetziger Kollaborateur Stefan Ulmer erhielt zur Umsetzung dieses Experiments ein stark umkämpftes Forschungsstipendium, die "RIKEN Initiative Research Unit" .

^ nach oben

Referenzen

[1]	S. Ulmer, K. Blaum, H. Kracke, S. Kreim, A. Mooser, W. Quint, C. C.Rodegheri, und J. Walz, Rev. Sci. Instr. 80, 123302 (2009)
[2]	S. Ulmer, C. C.Rodegheri, K. Blaum, H. Kracke, A. Mooser, W. Quint und J. Walz, Phys. Rev. Lett. 106, 253001 (2011)
[3]	S. Ulmer, K. Blaum, H. Kracke, A. Mooser, W. Quint, C. C. Rodegheri, and J. Walz, Phys. Rev. Lett. 107, 103002 (2011)

Zusammenarbeit mit

ERC Advanced Grant

This project receives funding from the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 832848 - FunI .