Direct observation of a single proton in a Penning trap

In der vorgelegten Doktorarbeit werden Experimente vorgestellt, die an einem einzelnen Proton in einer Penningfalle durchgeführt worden sind. Die Eigenbewegung eines isoliert gespeicherten, freien Protons konnte elektronisch durch Kopplung an einen Resonanzschwingkreis nachgewiesen werden. Dies stellt eine nicht-destruktive Messung dar, d. h. das Teilchen geht während der Messung nicht verloren. Die freie Zyklotronfrequenz, die aus den drei gemessenen Eigenfrequenzen hervorgeht, ist eine von zwei zur Bestimmung des magnetischen Moments notwendigen Frequenzen. So wird im Gegensatz zu den existierenden Arbeiten eine direkte Bestimmung des g-Faktors ermöglicht. Planung, Entwicklung und Inbetriebnahme des experimentellen Aufbaus wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, womit eine Messgenauigkeit von 10-7 erreicht wurde. Die dabei zu bewältigenden technischen Herausforderungen zur Bestimmung der zweiten Frequenz (der Larmorfrequenz) ergeben sich aus der Kleinheit des magnetischen Moments. Bei dem für diese Messung benötigten Spinzustand des Teilchens handelt es sich um einen internen Freiheitsgrad, der nur über eine Kopplung des magnetischen Moments an die Eigenbewegung bestimmt werden kann. Eine neuartige, hybride Penningfalle wird in dieser Arbeit vorgestellt, die als Quantensprung-Spektrometer die Spininformation auf die Eigenbewegung abbildet. Damit liegt der aus der magnetischen Kopplung resultierende Frequenzunterschied in den beiden Spinzuständen erstmalig in einem elektronisch detektierbaren Bereich.This PhD thesis presents experiments performed on a single proton stored in a Penning trap. The eigenmotion of an isolated, free proton could be detected electronically via a coupling to a resonance circuit. This represents a non-destructive measurement, i. e. the particle is not lost during the measurement. The free cyclotron frequency emerging from the measured eigenfre-quencies is one of the two frequencies required for the determination of the magnetic moment. This enables a direct determination of the g-factor contrary to already existing works. Design, developing, and commissioning of the experimental setup have been accomplished within the scope of this work leading to a measuring accuracy of 10-7. The technical challenges for the determination of the second frequency (the Larmor frequency) arising from the smallness of the magnetic moment were mastered. Since the spin state required for this measurement is an internal degree of freedom, it can only be accessed through a coupling of the magnetic mo-ment to the eigenmotion. A novel, hybrid penning trap is presented in this work, which im-prints the spin information onto the eigenmotion, thus, realizing a quantum jump spectrometer. Therewith, the frequency shift of the two spin states resulting from the magnetic coupling reaches for the first time an electronically detectable range

Direct Observation of a Single Proton in a Penning Trap [25.08.2009]

OnTEAM metadata: GDSID: DOC-2010-Jan-189; Attribute ID: LIBRARY-thesis_diss-2010-003; Title: [GSI Diss 2010-02] Direct Observation of a Single Proton in a Penning Trap [25.08.2009]; Author(s): Kreim, Susanne Waltraud; Corporate author(s): ; Publication date: 20100127; Creator: manton; Creation date: 27.01.2010 16:06:47; Change date: 16.09.2010 11:59:30; Access: Welt; Attribute type: Text.Thesis.Diss; Directory path: ['GSI Publications', 'GSI as Publisher']; Attribute path: ['Infrastructure', 'Library and Documentation', 'thesis_diss', 'Added in 2010']; File name(s): ['DOC-2010-Jan-189-1.pdf']; File title(s): ['']; File access: ['GSI-intern'

Direct observation of a single proton in a Penning trap

In der vorgelegten Doktorarbeit werden Experimente vorgestellt, die an einem einzelnen Proton in einer Penningfalle durchgeführt worden sind. Die Eigenbewegung eines isoliert gespeicherten, freien Protons konnte elektronisch durch Kopplung an einen Resonanzschwingkreis nachgewiesen werden. Dies stellt eine nicht-destruktive Messung dar, d. h. das Teilchen geht während der Messung nicht verloren. Die freie Zyklotronfrequenz, die aus den drei gemessenen Eigenfrequenzen hervorgeht, ist eine von zwei zur Bestimmung des magnetischen Moments notwendigen Frequenzen. So wird im Gegensatz zu den existierenden Arbeiten eine direkte Bestimmung des g-Faktors ermöglicht. Planung, Entwicklung und Inbetriebnahme des experimentellen Aufbaus wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, womit eine Messgenauigkeit von 10-7 erreicht wurde. Die dabei zu bewältigenden technischen Herausforderungen zur Bestimmung der zweiten Frequenz (der Larmorfrequenz) ergeben sich aus der Kleinheit des magnetischen Moments. Bei dem für diese Messung benötigten Spinzustand des Teilchens handelt es sich um einen internen Freiheitsgrad, der nur über eine Kopplung des magnetischen Moments an die Eigenbewegung bestimmt werden kann. Eine neuartige, hybride Penningfalle wird in dieser Arbeit vorgestellt, die als Quantensprung-Spektrometer die Spininformation auf die Eigenbewegung abbildet. Damit liegt der aus der magnetischen Kopplung resultierende Frequenzunterschied in den beiden Spinzuständen erstmalig in einem elektronisch detektierbaren Bereich.This PhD thesis presents experiments performed on a single proton stored in a Penning trap. The eigenmotion of an isolated, free proton could be detected electronically via a coupling to a resonance circuit. This represents a non-destructive measurement, i. e. the particle is not lost during the measurement. The free cyclotron frequency emerging from the measured eigenfre-quencies is one of the two frequencies required for the determination of the magnetic moment. This enables a direct determination of the g-factor contrary to already existing works. Design, developing, and commissioning of the experimental setup have been accomplished within the scope of this work leading to a measuring accuracy of 10-7. The technical challenges for the determination of the second frequency (the Larmor frequency) arising from the smallness of the magnetic moment were mastered. Since the spin state required for this measurement is an internal degree of freedom, it can only be accessed through a coupling of the magnetic mo-ment to the eigenmotion. A novel, hybrid penning trap is presented in this work, which im-prints the spin information onto the eigenmotion, thus, realizing a quantum jump spectrometer. Therewith, the frequency shift of the two spin states resulting from the magnetic coupling reaches for the first time an electronically detectable range

Direct Observation of a Single Proton in a Penning Trap Towards a Direct Measurement of the Proton g-Factor Dissertation zur Erlangung des Grades

Proton in einer Penningfalle durchgeführt worden sind. Die Eigenbewegung eine