Authors:	Rodegheri, Cricia de Carvalho
Title:	Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors
Online publication date:	21-Aug-2014
Year of first publication:	2014
Language:	german
Abstract:	In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10â 9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 Ã 10â 6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre. This thesis presents the design, development, commissioning and characterization of a novel Penning trap in the framework of the experiment for the direct Determination of the g-factor of a single proton. This trap is distinguished by the fact that the field lines of an external homogeneous magnetic field are distorted around the trap Center by means of a ferromagnetic ring electrode. The inhomogeneous part of the resulting magnetic field, the so-called magnetic bottle, can be quantified by the the coefficient B2 = 297(10) mT/mm2 of the second-order term in the series expansion describing the field. Such an exceptionally strong field inhomogeneity is a fundamental prerequisite for the detection of the proton spin orientation via the continuous Stern-Gerlach effect. This effect is based upon the coupling of the spin degree of freedom of the trapped proton to one of its eigenfrequencies, which occurs in the presence of the inhomogeneous magnetic field. Thus, a transition between the spin states can be detected as a frequency jump. The measurable change in frequency is proportional to B2 and to the in the case of the Proton extremely small ratio between its magnetic moment and its mass. The technical challenges due to the needed high magnetic inhomogeneity require a well-founded understanding and control of the the properties of the Penning trap and experimental conditions. The Penning trap developed in the present work allowed the first non-destructive detection of spin quantum jumps of a single trapped proton, which represented a breakthrough in the experiment for the direct determination of the g-factor with the aimed relative uncertainty of 10â 9. By means of a statistical method the Larmor and the cyclotron frequency of the proton could be measured in the inhomogeneous magnetic field of the trap, from which the g-factor could be determined with a relative uncertainty of 8,9 Ã 10â 6.The experimental techniques and setup presented here can be transferred to an equivalent experiment for the determination of the g-factor of the antiproton in order to achieve the same relative uncertainty, thus tanking the first step towards a new stringent test of CPT symmetry in the the baryonic sector.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2864
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-38238
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	189 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen