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Testing Lorentz and CPT symmetry via in-beam Hyperfine spectroscopy of deuterium
Amit Nanda
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Eberhard Widmann
DOI
10.25365/thesis.81034
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18338.90587.247478-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Invarianz der Lorentz- und CPT-Symmetrien, zwei der grundlegendsten Symmetrien der modernen Physik, wurde in den letzten drei Jahrzehnten kritisch auf die Probe gestellt. Jede Verletzung dieser Symmetrien würde uns in den Bereich neuer Physik führen. Die Stringtheorie, eine Quantentheorie der Gravitation, hat Mechanismen für die spontane Verletzung der Lorentz- und CPT-Symmetrien aufgezeigt, woraufhin viele Theorien, die über das Standardmodell (SM) und die allgemeine Relativitätstheorie (ART) hinausgehen, die mögliche Existenz von Lorentz- und CPT-Verletzungssignalen im Niedrigenergiebereich untersucht haben. Inmitten all dessen bietet eine als Standardmodell-Erweiterung (SME) bekannte effektive Feldtheorie für niedrige Energien einen umfassenden und quantitativen Rahmen, der das SM und die ART kombiniert und Experimente zur Untersuchung potenzieller Abweichungen von Lorentz- und CPT-Symmetrien anleitet. Im Rahmen der SME sind die CPT-Tests unter Verwendung des Vergleichs von Materie und Antimaterie auch empfindlich gegenüber Lorentz-Verletzung. Umgekehrt können Präzisiontests der Lorentz-Symmetrie, die nur Materie beinhalten auch auf CPT-Verletzung. In den letzten Jahrzehnten haben sich Atomübergänge zu einem beliebten Ausgangspunkt für die Suche nach möglichen Lorentz- und CPT-verletzenden Signalen durch präzise spektroskopische Messungen entwickelt. Die Lorentz-Verletzungen in der SME tragen zu Energieverschiebungen in atomaren Spektren in führender Ordnung des Impulses des Elektrons oder der Nukleonen des Atoms bei. Der Grad der Lorentz-Verletzung wird durch die sogenannten SME-Koeffizienten gemessen, und ihre Empfindlichkeit ist proportional zum Verhältnis des experimentellen Fehlerbereichs der Frequenzverschiebung in einem atomaren Spektrum zum Impuls des zugehörigen Teilchens, welches ein Elektron, Proton oder Neutron sein kann. Der relative Impuls des Protons im Deuteriumkern ist etwa 5 Größenordnungen höher als der Impuls des Protons im Wasserstoff, wodurch die Empfindlichkeit von Deuterium gegenüber den SME-Koeffizienten im Vergleich zu Wasserstoff erhöht wird. Auf der Suche nach Lorentz-verletzenden Signalen wurden im Sommer 2023 zwei Messkampagnen durchgeführt, die sich auf Hyperfeinspektroskopie in Deuterium und etwaige Anzeichen für siderische Schwankungen der gemessenen Übergangsfrequenzen konzentrierten. Diese Dissertation skizziert den theoretischen Hintergrund und die Vorhersagen der SME für die Übergänge in der Deuterium-Hyperfeinstruktur, den für die Messungen verwendeten Rabi-Versuchsaufbau mit Schwerpunkt auf dem als Spektrometer verwendeten Doppelspalt-Split-Ring-Resonator (DSRR), die Datenerfassung und -analyse sowie die Ergebnisse inklusive ihrer Implikationen. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind die Schranken auf den sphärischen Koeffizienten für die Lorentz-Verletzung im Protonensektor der nicht-minimalen SME, die durch Messung der Hyperfeinübergänge im Grundzustand von Deuterium erhalten wurden. Die Übergänge sind jene vom Quadruplettzustand zum Dublettzustand, bei denen keine Änderung der magnetischen Quantenzahl auftritt. Die Schranken für die spinabhängigen SME-Koeffizienten für Protonen wurden um 4 bzw. 14 Größenordnungen für k = 2 und k = 4 verbessert. Den spinunabhängigen Protonen-SME-Koeffizienten für k = 2 und k = 4 wurden zum ersten mal überhaupt Grenzen gesetzt. Darüber hinaus wurde die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand von Deuterium mit einer Genauigkeit von 2.8 Hz gemessen, was den bislang genauesten Wert, der mittels eines Atomstrahlexperiments erzielt werden konnte darstellt.
Abstract
(Englisch)
The invariance of Lorentz and CPT symmetries, two of the most fundamental symmetries of modern physics, has been critically put to test in the past three decades. Any violation of these symmetries would bring us to the territory of new physics. String theory, a quantum theory of gravity, has demonstrated mechanisms for spontaneous breaking of Lorentz and CPT symmetries. Subsequently many theories that go beyond the Standard Model (SM) and General Relativity (GR) have explored the possible existence of Lorentz and CPT violation signals in the low energy regime. In the midst of all this, a low energy effective field theory known as the Standard Model Extension (SME) offers a comprehensive and quantitative framework combining the SM and GR, and guides experiments to probe potential departures from Lorentz and CPT symmetries. In the context of the SME, the tests of CPT using matter-antimatter comparisons are also sensitive to Lorentz violation. At the same time, precision tests of Lorentz symmetry could also display sensitivity to CPT violation. In the last few decades, atomic transitions have become a popular platform for searching possible Lorentz and CPT violating signals through precise spectroscopic measurements. The Lorentz violating perturbations in the SME contribute to energy shifts in atomic spectra at the leading order of the momentum of the electron or the nucleons of the atom. The degree of Lorentz violation is handled by the so-called SME coefficients and their sensitivity is proportional to the ratio of the experimental limit on the frequency shift in an atomic spectra to the momentum of the associated particle, which can be electron, proton or neutron. The relative momentum of the proton in the deuterium nucleus is about 5 orders of magnitude higher than the momentum of the proton in hydrogen, thus enhancing the sensitivity of deuterium to the SME coefficients as compared to hydrogen. In the pursuit of Lorentz violating signals, two measurement campaigns were carried out in the summer of 2023 focusing on the hyperfine spectroscopy in deuterium and any signature of sidereal variations of the measured transition frequencies. This dissertation outlines the theoretical background and the predictions of the SME for the transitions in the deuterium hyperfine structure, the in-beam Rabi-type experimental setup that was used for the measurements, with a focus on the double-gap split ring resonator (DSRR) used as a spectrometer, data acquisition and analysis as well as the results and their implications. The main highlights of this work are the constraints on the spherical coefficients for Lorentz violation in the proton sector of the non-minimal SME obtained via measurement of the hyperfine transitions in ground state deuterium. The transitions involved in the measurements are the ones from the quadruplet state to the doublet state such that there is no change of magnetic quantum number. The constraints on the spin-dependent SME coefficients for proton have been improved by 4 and 14 orders of magnitude for k = 2 and, k = 4, respectively, where k is the power of the relative momentum of proton in deuterium. For the first time, bounds have been placed on the spin-independent proton SME coefficients for k = 2 and k = 4. In addition, the zero field ground-state hyperfine splitting in deuterium has been measured with a precision of 2.8 Hz, making it the most precise in-beam measurement to date.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
lorentz-symmetrie cpt-symmetrie Standardmodell-Erweiterung deuterium Hyperfeinstruktur Atomstrahlexperiment Doppelspalt-Split-Ring-Resonator (DSRR) Wasserstoff Lorentz-Verletzungen CPT-Verletzungen
Autor*innen
Amit Nanda 
Haupttitel (Englisch)
Testing Lorentz and CPT symmetry via in-beam Hyperfine spectroscopy of deuterium
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
xii, 208 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Francois Nez ,
Randolf Pohl
AC Nummer
AC17856331
Utheses ID
79331
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |