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type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Trappe, Martin-Isbjörn
title: Parity-Violating and Parity-Conserving Berry Phases for Hydrogen and Helium in an Atom Interferometer
title_de: Paritätsverletzende und paritätserhaltende Berry-Phasen
für Wasserstoff und Helium in einem Atomstrahlinterferometer
divisions: i-130300
adv_faculty: af-13
abstract: In the present thesis Berry phases for metastable states of hydrogen and helium exposed
to external electromagnetic fields are investigated. One main goal is the derivation of
a parity-violating observable incorporating the electroweak mixing angle. The study is
done in view of an available high-precision atomic beam spin echo interferometer and
with respect to the theoretically very well-known structure of hydrogen. We determine
the general properties of parity-violating and parity-conserving Berry phases and their
flux-density vector fields distinguished by their behaviour under proper and improper
rotations. This allows for extensive analytical investigations and cross-checks of our
numerical computations. Regarding hydrogen, we reveal geometry-dependent modifications
of atomic lifetimes due to parity-conserving imaginary Berry phases. Deriving
the evolution of the atomic wave packets, we establish the theoretical description of an
atom interferometer. An analytical expression for the spin echo signal, easily accessible
in experiment, is presented and numerically evaluated to extract parity-violating
signals. We discuss the implications of the computed parity-violating effects on interferometric
precision measurements of the proton’s weak charges. Moreover, we outline
the concept of Heisenberg-limited atom interferometry to improve the resolution for
measurements of Berry phases. Finally, we present predictions for parity-conserving
Berry phases of metastable helium states studied in the Heidelberg experiment.
abstract_translated_text: In der vorliegenden Arbeit werden Berry-Phasen für metastabile Zustände von Wasserstoff
und Helium in äußeren elektromagnetischen Feldern untersucht. Ein wesentliches
Ziel ist die Herleitung einer paritätsverletzenden Observable, die vom elektroschwachen
Mischungswinkel abhängt. Die entsprechende Ausarbeitung erfolgt im Hinblick
auf ein zur Verfügung stehendes hochpräzises Atomstrahl-Spinecho-Interferometer und
im Hinblick auf den theoretisch sehr genau bekannten Aufbau von Wasserstoff. Wir bestimmen
die strukturellen Eigenschaften paritätsverletzender sowie paritätserhaltender
Berry-Phasen und ihrer Flussdichtevektorfelder, die durch ihr unterschiedliches Verhalten
unter eigentlichen und uneigentlichen Rotationen charakterisiert sind. Dies erlaubt
weitreichende analytische Untersuchungen sowie die Überprüfung unserer numerischen
Berechnungen. Im Falle von Wasserstoff weisen wir geometrieabhängige Lebensdauer-
Modifikationen durch imaginäre Berry-Phasen nach. Über die zeitliche Entwicklung der
atomaren Wellenpakete wird eine Beschreibung des Atominterferometers eingeführt.
Ein analytischer Ausdruck für das experimentell leicht zugängliche Spinechosignal wird
entwickelt und numerisch ausgewertet, um paritätsverletzende Signale zu extrahieren.
Wir diskutieren die Bedeutung der so berechneten paritätsverletzenden Effekte für interferometrische
Präzisionsbestimmungen der schwachen Ladungen des Protons. Desweiteren
wird das Konzept der Heisenberg-limitierten Atominterferometrie zur Erhöhung
der Messgenauigkeit bezüglich Berry-Phasen skizziert. Abschließend präsentieren
wir Vorhersagen zu paritätserhaltenden Berry-Phasen für metastabile Heliumzustände,
die im Heidelberger Experiment untersucht werden.
abstract_translated_lang: ger
date: 2013-01
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00014298
ppn_swb: 1652049320
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-142988
date_accepted: 2012-12-19
advisor: HASH(0x55de579e0e58)
language: eng
bibsort: TRAPPEMARTPARITYVIOL201301
full_text_status: public
citation:   Trappe, Martin-Isbjörn  (2013) Parity-Violating and Parity-Conserving Berry Phases for Hydrogen and Helium in an Atom Interferometer.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/14298/1/PhDThesis_Martin_Trappe.pdf