300 ppt Measurement of the Proton g-Factor
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Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Messung des Proton g-Faktors um mehr als eine Größenordnung verbessert, verglichen mit dem vorherigen Experiment. Um das magnetische Moment des Protons zu messen, wird ein isoliertes Proton in einer kryogenen Doppelfalle gespeichert. Die Präzisionsfalle dient der Hochpräzisionsmessung der freien Zyklotronfrequenz und der simultanen Anregung mit der Larmorfrequenz. Anschließend wird das Teilchen in die Analysefalle transportiert, um den Spinzustand zu bestimmen. Diese Messsequenz wird mehrere hundert Male wiederholt, um die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion der eingestrahlten Larmorfrequenz zu messen. Das magnetische Moment in Einheiten des Kernmagnetons ist dann gegeben durch das Verhältnis aus Larmorfrequenz und freier Zyklotronfrequenz. Um den Spinzustand des Protons zu bestimmen, wird der kontinuierliche Stern-Gerlach-Effekt in der Analysefalle angewandt. Dieser verwendet ein inhomogenes magnetisches Feld, um den Spinzustand nicht-destruktiv auszulesen. Diese Methode wurde zum ersten Mal mit großem Erfolg für Elektron/Positron g-2 Experimente von Dehmelt im Jahr 1986/1987 verwendet. Verglichen mit dem Elektron erfordert das Proton ein mehr als 10000-fach empfindlicheres Experiment aufgrund der intrinsischen Kleinheit des magnetischen Moments.
Um die Limitationen der vorherigen Messung zu beseitigen, wurde die Apparatur und die experimentelle Routine signifikant modifiziert. Dies beinhaltet eine höhere magnetische Homogenität, eine höhere Magnetfeldstabilität mittels einer quasi-aktiven Magnetfeldabschirmung, eine optimierte Anregungsamplitude und neue supraleitende Nachweissysteme mit verbesserten kryogenen rauscharmen Verstärkern. All diese Verbesserungen führten zu einer 12 mal schmäleren Linienbreite und zu einer doppelt so hohen Datensammelrate.
Das endgültige Ergebnis mit einer Genauigkeit von 3*10^-10 stellt die präziseste Messung eines Kernmoments dar. Ein direkter Vergleich mit dem magnetischen Moment des Antiprotons erlaubt einen verbesserten Test einer fundamentalen Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, der kombinierten CPT (Ladung, Parität, Zeit) Invarianz.
Ein weiterer Test der CPT-Symmetrie wurde durch die Messung des Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses zwischen Proton und Antiproton mit einer Genauigkeit von 69*10^-12 im Rahmen der BASE-Kollaboration am CERN mitentwickelt.