Hochpräzisions-Penningfalle

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542672974

Im Rahmen der Neuberufung des Lehrstuhls "Quantentechnologie mit Schwerpunkt Fundamentalphysik (QTF)" an der Heinrich-Heine-Universität (HHU) Düsseldorf wird ein Ultra-Hochpräzisions-Penningfallen-Spektrometer aufgebaut werden, das neue Maßstäbe an Messstandards von Penningfallen-Experimenten setzen wird, und durch hochaufgelöste Messungen fundamentaler Naturkonstanten, zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells (SM) beitragen wird. Motiviert sind solche Messungen dadurch, dass das SM zwar ausgesprochen erfolgreich, bekanntermaßen jedoch unvollständig ist. Zum Beispiel ist die Existenz dunkler Materie im SM nicht enthalten, und auch das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie kann im Rahmen des SM’s nicht erklärt werden. Insbesondere im Rahmen der Untersuchung der Materie/Antimaterie Symmetrie zum Test der Ladungs-/Paritäts-/Zeitumkehr (CPT) Invarianz, spielen Penningfallen eine herausragende Rolle, und haben zahlreiche Rekordmessungen hervorgebracht. Als Gründer und Leiter der BASE-Kollaboration am Forschungszentrum CERN hat der Antragsteller die Präzision in der Bestimmung des magnetischen Moments des Antiprotons um einen Faktor 3000 verbessert, und mit dem Vergleich der Ladungs-zu-Massen Verhältnisse von Protonen und Antiprotonen mit einer relativen Präzision von 16 Teilen in einer Billion (p.p.t.) den präzisesten Test der CPT-Invarianz mit Baryonen durchgeführt. Im Rahmen dieses Antrages wird ein Großgerät "Hochpräzisions-Penningfallen Experiment" beantragt, mit dem basierend auf den gemachten Erfahrungen ein Experiment entwickelt werden wird, das zahlreiche fundamentale Naturkonstanten mit höchster Präzision bestimmen wird. Das Messprogramm, das mit dem Experiment geplant ist umfasst: 1.) Der 1000-fach verbesserte Vergleich der magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen. 2.) Die verbesserte Messung der Masse des Protons. 3.) Die Entwicklung Penningfallen-basierter Messmethoden zur Spektroskopie des H2+ Moleküls, mit perspektivischer Anwendung auf Anti-H2+. 4.) Die verbesserte Messung der Masse des Elektrons. 5.) Die Messungen der magnetischen Momente von Elektronen und Positronen zum Test von CPT und Quantenelektrodynamik (QED). 6.) Die hochpräzise Messung der Massen von Alkaliatomen für Atominterferometer-basierte Bestimmungen der Feinstrukturkonstanten. Ein besonders herausragendes Projekt besteht in der Vision, Antiprotonen am CERN herzustellen, sie zu transportieren, und im innerhalb dieses Antrages beschriebenen Experiments, zu spektroskopieren. Die Relokalisierung der Antiteilchen in ein hoch-stabilisiertes Präzisionslabor wird, im Vergleich zu gegenwärtig erreichten Messpräzisionen, 100 bis 1000-fach verbesserte Messungen ermöglichen, da magnetisches Rauschen, das am CERN die gegenwärtigen Experimente limitiert, vollständig eliminiert wird. Zum Transport wird die transportable Antiprotonenfalle BASE-STEP verwendet werden, die sich derzeit im Aufbau befindet, gefördert durch einen ERC-Starting Grant.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochpräzisions-Penningfalle
• Gerätegruppe: 0120 Supraleitende Labormagnete
• Antragstellende Institution: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
• Leiter: Professor Dr. Stefan Ulmer