Design and construction of a monoatomic hydrogen beam

Eine der wichtigsten Grundpfeiler in der Physik sind Symmetrien. Eine dieser Sym- metrien,diesogenannteCPT Symmetrie,welcheamCERNinGenfvonderASACUSA Kollaboration getestet werden soll. Diese Tests werden in einem Rabi ähnlichen Exper- iment von ASACUSA mit Antiwasserstoff Atomen gemacht (Antiawasserstoff ist das Antimateriependent zu Wasserstoff). Da Antiwasserstoff in der Gewinnung sehr teuer ist, sollte das gesamte Experiment auch mit Wasserstoffatomen durchgeführt werden. Diese Diplomarbeit behandelt einen Aufbau für einen atomaren Wasserstoffstrahl und eine Quelle zur Produktion von monoatomaren Wasserstoff. Wasserstoffmoleküle werden durch Mikrowellen in einem Entladungsplasma zu Wasserstoffatomen zerteilt und dann als Wasserstoffstrahl in ein Vakuumsystem emittiert. Der Aufbau der in dieser Arbeit beschrieben wird, soll in der Zukunft die Basis für das Rabi ähnliche Experiment sein.One of the basic tenets in physics are symmetries. One of these symmetries the C P T symmetry is tested by the ASACUSA collaboration at the CERN facility. The test of CPT symmetrywillbedoneinanRabilikeexperimentbytheASACUSAcollaboration with antihydrogen atoms, the antimatter pendent to normal hydrogen atoms. Since the creation of antihydrogen atoms is very expensive the whole setup has to be tested with hydrogen. This thesis is about a atomic hydrogen beam setup, using a microwave discharge source for the production of a mono atomic hydrogen beam. With this source hydrogen molecules are split to hydrogen atoms in a discharge plasma by microwave radiation with a frequency of 2.45 GHz. After production the atoms escape as a hydrogen beam into a vacuum system. The setup described in this work will be the basis for the future Rabi like experiment

An atomic hydrogen beam to test ASACUSA's apparatus for antihydrogen spectroscopy

The ASACUSA collaboration aims to measure the ground state hyperfine splitting (GS-HFS) of antihydrogen, the antimatter pendant to atomic hydrogen. Comparisons of the corresponding transitions in those two systems will provide sensitive tests of the CPT symmetry, the combination of the three discrete symmetries charge conjugation, parity, and time reversal. For offline tests of the GS-HFS spectroscopy apparatus we constructed a source of cold polarised atomic hydrogen. In these proceedings we report the successful observation of the hyperfine structure transitions of atomic hydrogen with our apparatus in the earth's magnetic field.Comment: 8 pages, 4 figures, proceedings for conference EXA 2014 (Exotic Atoms - Vienna

Determination of the hydrogen ground-state hyperfine splitting in a beam and perspectives for antihydrogen

Zusammenfassung in deutscher SpracheDerVergleichvonTeilchenundAntiteilchenSystemenumdieCPT Symmetriezu testen ist heutzutage von intrinsischer Interesse für die Teilchenphysik. Ein interessantes System ist der Vergleich der Grundzustands-Hyperfeinstruktur von Wasserstoff mit Antiwasserstoff bei der Abwesenheit eines Magnetfeldes. Die ASACUSA Kollaboration strebt danachdiesenCPT TestmiteinemRabiSpektrometerAufbaudurchzuführen. Diese Arbeit beschreibt den Spektrometer Aufbau, welche bei den Antiwasserstoff Experimenten verwendet werden wird. Die einzelnen Komponenten wurden getestet und der gesamte Aufbau wurde mit atomaren Wasserstoff charakterisiert. Die wichtigsten Teile dieses Experiments waren eine atomare Wasserstoffquelle, ein kryogenisches Arrangement um den Strahl zu kühlen, ein Strahl-Modulator, zwei polarisierende Sextupolmagnete, eine Mikrowellenkavität, welche die Spinzustände invertiert, einen supraleitenden Sextupolmagneten als Analysemagnet und ein Massenspektrometer. Ein zweiter sehr wichtiger Teil dieser Arbeit bestand darin die -1-Übergänge, welche eine der für diese Kavität möglichen messbaren Übergänge sind, zu analysieren. Wie gezeigt werden wird war es uns möglich mit dieser Strahllinie den besten Wert für die Hyperfeinaufspaltung von atomaren Wasserstoff in einem Rabi-Experiment zu messen. Der gewonnene Wert für eine Frequenz -0 ist 1 420 405 748.9 ± 3.3stat ± 2.5sys Hz. Die Frequenz ist in Übereinstimmung mit dem Wert von Masermessungen und ist mehr als eine Größenordnung besser als vorhergehende Rabi-Experimente aus den 1950ern. Dieses Resultat zeigt, dass mit Antiwasserstoff eine ähnliche Genauigkeit erreicht werden kann, vorausgesetzt, dass ein Strahl mit vergleichbaren Eigenschaften bereit steht.Today comparisons of matter and antimatter systems to perform CPT tests are of intrinsic interest to the particle physics community. One interesting system is the comparison of the ground state hyperfine structure of hydrogen and antihydrogen at zero magnetic field. The ASACUSA collaboration aims to perform this CPT test with a Rabi-type spectrometer beam line. This work describes the spectrometer beam line which will be used for the antihydrogen experiments. The individual components were tested and the whole setup was characterised with atomic hydrogen. The most important sections in these experiments were an atomic hydrogen source, a cryogenic arrangement for beam cooling, a beam modulating chopper system, two polarising sextupole magnets to select a quantum state doublet, a microwave cavity to drive spin flips, a superconducting sextupole magnet as analysing magnet and a mass spectrometer as detector. A second essential part in this work was the analysis of the -1-transitions, one of the possible transitions that can be measured with our spin flip cavity. As will be shown we were able to measure and evaluate the best value ever for the hyperfine structure of atomic hydrogen in a Rabi like experiment with this beam line. The obtained quantity has a frequency of -0 = 1 420 405 748.9 ± 3.3 stat ± 2.5sys Hz. This value is in agreement with the value of maser measurements and is more than one order of magnitude better than previous Rabi experiments performed in the 1950s. This result shows that similar accuracies could be achieved with antihydrogen provided a beam with similar properties becomes available.11

Annihilation detector for an in-beam spectroscopy apparatus to measure the ground state hyperfine splitting of antihydrogen

The matter-antimatter asymmetry observed in the universe today still lacks a quantitative explanation. One possible mechanism that could contribute to the observed imbalance is a violation of the combined Charge-, Parity- and Time symmetries (CPT). A test of CPT symmetry using anti-atoms is being carried out by the ASACUSA-CUSP collaboration at the CERN Antiproton Decelerator using a low temperature beam of antihydrogen—the most simple atomic system built only of antiparticles. While hydrogen is the most abundant element in the universe, antihydrogen is produced in very small quantities in a laboratory framework. A detector for in-beam measurements of the ground state hyperfine structure of antihydrogen has to be able to detect very low signal rates within high background. To fulfil this challenging task, a two layer barrel hodoscope detector was developed. It is built of plastic scintillators with double sided readout via Silicon Photomultipliers (SiPMs). The SiPM readout is done using novel, compact and cost efficient electronics that incorporate power supply, amplifier and discriminator on a single board. This contribution will evaluate the performance of the new hodoscope detector