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GRASIAN: setup improvements and vibration analysis
Daniel Kloppenburg
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Eberhard Widmann
DOI
10.25365/thesis.80845
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15132.95082.611940-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Wenn sich neutrale Teilchen in einem Potential zwischen dem Erdgravitationsfeld und einem Spiegelpotential befinden, bilden sich diskrete Quantenzustände, auch bekannt als Gravitations-Quantenzustände (gravitational quantum states, GQS). Diese diskreten Quanten-Zustände weisen Eigenenergien in einer Größenordnung von Pikoelektronenvolt, mit einer Ausdehnung der Zustände von 10 μm–50 μm auf. Der erste experimentelle Beweis für die Existenz von GQS wurde mit Neutronen im Jahr 2002 erbracht. Jedoch konnte die Existenz von GQS für Atome noch nicht gezeigt werden. Daher hat sich die GRASIAN Collaboration zum Ziel gesetzt, einen Nachweis von GQS für Wasserstoffatome zu erbringen. Um eine erfolgreiche Messung zu realisieren, müssen sowohl verschiedene Umwelteinflüsse als auch mechanische Einflüsse berücksichtigt werden. Daher wurde im Zuge dieser Arbeit eine Reinraumkabine entworfen und konstruiert, welche das Eindringen von Staubpartikeln in das GQS-Spektrometer verhindert. Dieser Reinraum ist für den Erfolg des Experiments notwendig, da Staubpartikel in der Größe von einigen Mikrometern das Spektrometer irreparabel beschädigen können. Zusätzlich wurden Vibrationsmessungen mit Geophonen durchgeführt, um jegliche mechanische Übertragung von Vibrationen durch Vakuumpumpen oder Kryokühler (cold heads) auszuschließen, die einen Übergang zwischen Quantenzuständen hätten anregen können. Die Messungen zeigten, dass keine Quelle für Vibrationen gefunden wurde, welche eine Übergangswahrscheinlichkeit P > 10−8 verursachen. Zudem wurde bei den Messungen auch nachgewiesen, dass die Kryokühler den experimentellen Aufbau lokal bis um (18.93 ± 0.29) μm verrücken. Da diese sich wiederholende Bewegung aber nur einmal pro Sekunde für ungefähr 30 ms auftritt, können etwa 95% der zukünftigen GQS- Messdaten unter störungsfreien Bedingungen genommen werden. Des Weiteren muss eine horizontale Geschwindigkeit der Atome von v < 100 m/s als notwendiges Kriterium erfüllt werden, damit sich GQS-Zustände bilden. Daher wird in dieser Arbeit ein Modell des kryogenen Wasserstoff-Strahls vorgestellt, welches zeigt, dass eine effektive Geschwindigkeitsverteilung der Atome, die in das Spektrometer gelangen, durch Trajektorienselektion erreicht werden kann. Experimentelle Messungen des Geschwindigkeitsspektrums haben diese Methode validiert und stimmten mit den berechneten Verteilungen des Wasserstoff-Strahls im Rahmen der Messraten-Stabilität überein. Zusätzlich wurden die optimalen Trajektorien für zukünftige GQS-Messungen berechnet.
Abstract
(Englisch)
When neutral particles are trapped between Earth’s gravitational field and a mirror potential, they settle into gravitational quantum states (GQS). These are bound states with spatial size of 10 μm–50 μm and eigenenergies in the order of picoelectronvolts. GQS were first observed with neutrons in 2002 and enable unique probing of quantum mechanics under gravity and tests of extra fundamental forces on the micrometer scale. The existence of atomic GQS has not been shown yet. Therefore, the aim of the GRASIAN collaboration is to establish GQS for hydrogen atoms. To achieve a successful measurement, various requirements have to be matched to ensure that the experiment is not distorted by any environmental or mechanical effects. This thesis presents a cleanroom enclosure that was designed and constructed to prevent dust particles from irreversibly damaging the GQS spectrometer on the micrometer scale. Vibration analysis was performed with geophones to rule out vibration sources such as vacuum pumps and cold heads that could couple vibrations into the spectrometer and cause state depopulation. Results reveal that no source induces a quantum state transition with a probability higher than P ∼ 10−8. However, cold heads cause periodic displacements up to (18.93 ± 0.29) μm. These occur once per second for ∼ 30 ms, leaving ∼ 95% of measurement time undisturbed. Horizontal atom velocities of v < 100 m/s are required for this experimental setup, such that the atoms settle into GQS. A cryogenic hydrogen beam model is presented, revealing that the velocity distribution can be shaped by trajectory selection. Time of flight measurements confirmed that trajectory selection successfully shapes the velocity distribution, with experimental data matching simulations within count rate stability limitations. Optimal trajectory selection configurations are presented for future GQS measurements.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Gravitations Quantenzustände Geophone Vibrations Messung
Autor*innen
Daniel Kloppenburg
Haupttitel (Englisch)
GRASIAN: setup improvements and vibration analysis
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 103 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Eberhard Widmann
Klassifikation
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC Nummer
AC17828255
Utheses ID
79987
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |