Detection of individual spin transitions of a single proton confined in a cryogenic Penning trap

Das in dieser Arbeit vorgestellte Experiment zur Messung des magnetischen Moments des Protons basiert auf der Messung des Verhältnisses von Zyklotronfrequenz und Larmorfrequenz eines einzelnen, in einer kryogenen Doppel-Penning Falle gespeicherten Protons. In dieser Arbeit konnten erstmalig zwei der drei Bewegungsfrequenzen des Protons gleichzeitig im thermischen Gleichgewicht mit entsprechenden hochsensitiven Nachweissystemen nicht-destruktiv detektiert werden, wodurch die Messzeit zur Bestimmung der Zyklotronfrequenz halbiert werden konnte. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig einzelne Spin-Übergänge eines einzelnen Protons detektiert, wodurch die Bestimmung der Larmorfrequenz ermöglicht wird. Mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts wird durch eine sogenannte magnetische Flasche das magnetische Moment an die axiale Bewegungsmode des Protons gekoppelt. Eine Änderung des Spinzustands verursacht folglich einen Frequenzsprung der axialen Bewegungsfrequenz, welche nicht-destruktiv gemessen werden kann. Erschwert wird die Detektion des Spinzustands dadurch, dass die axiale Frequenz nicht nur vom Spinmoment, sondern auch vom Bahnmoment abhängt. Die große experimentelle Herausforderung besteht also in der Verhinderung von Energieschwankungen in den radialen Bewegungsmoden, um die Detektierbarkeit von Spin-Übergängen zu gewährleisten. Durch systematische Studien zur Stabilität der axialen Frequenz sowie einer kompletten Überarbeitung des experimentellen Aufbaus, konnte dieses Ziel erreicht werden. Erstmalig kann der Spinzustand eines einzelnen Protons mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Somit stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Protons dar.The presented experiment for the determination of the magnetic moment of the proton is based on the measurement of the ratio of cyclotron frequency and Larmor frequency of a single proton confined in a cryogenic double-Penning trap. In the course of this thesis, the simultaneous non-destructive measurement of two of the three eigenfrequencies of the proton in thermal equilibrium with corresponding detection systems was demonstrated, which reduces the measurement time of the cyclotron frequency by a factor of two. Furthermore, this thesis presents the first detection of individual spin transitions of a single proton, which allows for the determination of the Larmor frequency. The continuous Stern-Gerlach effect is utilized to couple the magnetic moment to the axial mode of the trapped proton by means of a magnetic bottle. Thus, a spin flip causes a jump of the axial frequency, which can be measured non-destructively with highly-sensitive detection systems. However, not only the spin momentum is coupled to the axial motion but also the angular momentum. Thus, the main experimental challenge is the elimination of energy fluctuations in the radial modes in order to maintain spin flip resolution. Due to systematic studies on the stability of the axial frequency and a complete revision of the experimental setup, this goal was achieved. The spin state of the proton can be determined with very high fidelity for the very first time. Thus, this thesis represents an important step towards a high-precision determination of the magnetic moment of the proton

Towards a direct measurement of the g -factor of a single isolated proton

Our Penning trap experiment aims at a direct high-precision measurement of the proton g-factor. We present the experimental setup and the measurement technique using the continuous Stern-Gerlach effect. Recent test measurements with a single proton stored in a Penning trap with a strong magnetic bottle and a new toroidal detection system are discussed. For a stringent test of the CPT symmetry the described technique can also be applied to the antiproton