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Precise Tests of Fundamental Symmetries at Low Energies using a 3He-129Xe Comagnetometer

Allmendinger, Fabian

German Title: Präzisionstest fundamentaler Symmetrien bei niedrigen Energien unter Verwendung eines 3He-129Xe-Comagnetometers

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Abstract

Effects of theories beyond the Standard Model would become directly apparent at high energies, which are probably out of reach for colliders. As an alternative, low-energy high-precision measurements of quantities are performed, looking for deviations from the Standard Model (SM) predictions. In this case: Firstly, a small amount of the large effects of quantum gravity at the Planck scale should remain at low energies, which is tested by looking for Lorentz invariance violation in the neutron sector. Secondly, new sources of CP-violation would cause permanent electric dipole moments (EDMs)of particles that are many orders of magnitude larger than the EDMs predicted by the SM. The experimental approach is to measure the free precession of nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms in a homogeneous magnetic guiding field of about 400 nT using LTC SQUIDs as low-noise magnetic flux detectors. This dissertation reports on the search for a CPT and Lorentz invariance violating coupling of the 3He and 129Xe nuclear spins to posited background fields. An upper limit on the equatorial component of the background field interacting with the spin of the bound neutron bn < 8.4 10^-34 GeV (68% C.L.) was obtained. Furthermore, the technical developments and preparations for measurements of the 129Xe EDM are described.

Translation of abstract (German)

Verschiedene Theorien, die die Physik jenseits des Standardmodells beschreiben, sagen neue Phänomene bei derart hohen Energien vorher, die in Beschleunigerexperimenten nicht zu erreichen sind. Als Alternative werden bestimmte Größen bei niedrigen Energien sehr präzise gemessen und mit deren Standardmodellvorhersagen verglichen. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei experimentelle Herangehensweisen behandelt: Zum einen würden Effekte der Quantengravitation auf der Planck-Skala, obwohl stark unterdrückt, noch bei niedrigen Energien Auswirkungen haben. Dies wird mit Tests der CPT- und Lorentzinvarianz-verletzenden Kopplung des (gebundenen) Neutronspins an ein hypothetisches Hintergrundfeld untersucht. Zweitens tragen zusätzliche Quellen von CP-Verletzung zu einem permanenten elektrischen Dipolmoment (EDM)bei, das mehrere Größenordnungen über der Standardmodellvorhersage liegen kann. Genaue Messungen des EDMs von 129Xe können darüber wichtige Aufschlüsse geben. Der experimentelle Ansatz beruht auf der Frequenzmessung von frei präzedierenden, kernspinpolarisierten 3He- und 129Xe-Atomen in einem homogenen Magnetfeld (400nT). Als Detektoren werden rauscharme LTC SQUIDs eingesetzt. Diese Dissertation behandelt den experimentellen Aufbau und die Datenauswertung zur Suche nach einer CPT- und Lorentzinvarianz-verletzenden Kopplung der 3He- und 129Xe-Spins an ein Hintergrundfeld. Aus den Daten konnte eine obere Grenze von bn < 8.4 10^-34 GeV (68% C.L.) für die äquatoriale Komponente des Hintergrundfeldes bestimmt werden. Des Weiteren werden die Vorbereitungen und technischen Entwicklungen für die 129Xe-EDM-Messungen beschrieben.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schmidt, Priv.-Doz. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 21 January 2015
Date Deposited: 30 Jan 2015 10:49
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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