Authors:	Müllers, Andreas
Title:	Production of antihydrogen via double charge exchange
Online publication date:	22-Feb-2013
Year of first publication:	2013
Language:	english
Abstract:	Spectroscopy of the 1S-2S transition of antihydrogen confined in a neutral atom trap and comparison with the equivalent spectral line in hydrogen will provide an accurate test of CPT symmetry and the first one in a mixed baryon-lepton system. Also, with neutral antihydrogen atoms, the gravitational interaction between matter and antimatter can be tested unperturbed by the much stronger Coulomb forces.rnAntihydrogen is regularly produced at CERN's Antiproton Decelerator by three-body-recombination (TBR) of one antiproton and two positrons. The method requires injecting antiprotons into a cloud of positrons, which raises the average temperature of the antihydrogen atoms produced way above the typical 0.5 K trap depths of neutral atom traps. Therefore only very few antihydrogen atoms can be confined at a time. Precision measurements, like laser spectroscopy, will greatly benefit from larger numbers of simultaneously trapped antihydrogen atoms.rnTherefore, the ATRAP collaboration developed a different production method that has the potential to create much larger numbers of cold, trappable antihydrogen atoms. Positrons and antiprotons are stored and cooled in a Penning trap in close proximity. Laser excited cesium atoms collide with the positrons, forming Rydberg positronium, a bound state of an electron and a positron. The positronium atoms are no longer confined by the electric potentials of the Penning trap and some drift into the neighboring cloud of antiprotons where, in a second charge exchange collision, they form antihydrogen. The antiprotons remain at rest during the entire process, so much larger numbers of trappable antihydrogen atoms can be produced. Laser excitation is necessary to increase the efficiency of the process since the cross sections for charge-exchange collisions scale with the fourth power of the principal quantum number n.rnThis method, named double charge-exchange, was demonstrated by ATRAP in 2004. Since then, ATRAP constructed a new combined Penning Ioffe trap and a new laser system. The goal of this thesis was to implement the double charge-exchange method in this new apparatus and increase the number of antihydrogen atoms produced.rnCompared to our previous experiment, we could raise the numbers of positronium and antihydrogen atoms produced by two orders of magnitude. Most of this gain is due to the larger positron and antiproton plasmas available by now, but we could also achieve significant improvements in the efficiencies of the individual steps. We therefore showed that the double charge-exchange can produce comparable numbers of antihydrogen as the TBR method, but the fraction of cold, trappable atoms is expected to be much higher. Therefore this work is an important step towards precision measurements with trapped antihydrogen atoms. Spektroskopie des 1S-2S Übergangs von gespeichertem Antiwasserstoff würde durch Vergleich mit der äquivalenten Linie in Wasserstoff einen präzisen Test der CPT Symmetrie ermöglichen. Dies wäre der erste CPT Test in einem gemischten Baryon-Lepton System. Des weiteren ließe sich mit elektrisch neutralen Antiwasserstoffatomen die Wirkung der Schwerkraft zwischen Materie und Antimaterie untersuchen ohne dass die Messung von der viel stärkeren Coulomb Wechselwirkung gestört wird.rnAntiwasserstoff wird an CERNs Antiproton Decelerator bereits regelmäßig über Drei-Körper-Rekombination (three-body-recombination, TBR) produziert. Für diesen Prozess werden Antiprotonen über eine Hochfrequenzanregung in eine Wolke aus Positronen getrieben. Dies heizt die Antiprotonen auf so dass die mittlere Temperatur der produzierten Antiwasserstoffatome weit über der typischen Fallentiefe von 0,5 K einer Neutralatomfalle liegt. Daher können zur Zeit nur wenige Antiwasserstoffatome auf einmal gespeichert werden. Präzisionsmessungen wie Laserspektroskopie würden aber von einer größeren Anzahl an gespeicherten Antiwasserstoffatomen profitieren.rnZu diesem Zweck hat die ATRAP Kollaboration eine andere Produktionsmethode entwickelt, den zweifachen Ladungstransfer. Cäsiumatome werden mittels Laserlicht auf Rydbergzustände angeregt und kollidieren mit Positronen. Dabei entsteht Rydberg-Positronium, ein gebundenes System aus einem Elektron und einem Positron. Die Positroniumatome driften wiederum in eine benachbarte Wolke aus Antiprotonen und erzeugen in einer zweiten Ladungstransferreaktion Antiwasserstoff. Die Antiprotonen verbleiben während des ganzen Prozesses in Ruhe, daher ist ein sehr viel höherer Anteil an kalten Antiwasserstoffatomen zu erwarten als bei der Drei-Körper-Rekombination. Die Laseranregung der Cäsiumatome ist nötig da der Wirkungsquerschnitt für die Ladungstransferreaktionen mit der vierten Potenz der Hauptquantenzahl n ansteigt.rnDer zweifache Ladungstransfer wurde 2004 von ATRAP zum ersten Mal getestet. Seitdem wurde eine neue kombinierte Penning-Ioffe-Falle und ein neues Lasersystem konstruiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der zweifache Ladungstransfer in dieser neuen Falle implementiert. Im Vergleich zu unserem vorherigem Experiment von 2004 konnten wir die Produktion von Positronium und Antiwasserstoff um zwei Größenordnungen steigern. Dies begründet sich hauptsächlich in den größeren Positronen- und Antiprotonenplasmen die uns mittlerweile zur Verfügung stehen, wir konnten aber auch die Effizienz der einzelnen Schritte wesentlich verbessern. Über den zweifachen Ladungstransfer lassen sich also vergleichbare Mengen an Antiwasserstoff herstellen wie mit der etablierten Methode der Drei-Körper-Rekombination, allerdings ist der erwartete Anteil an kalten Antiwasserstoffatomen weitaus höher. Diese Arbeit ist daher ein wichtiger Schritt hin zu Präzisionsmessungen mit gefangenem Antiwasserstoff.
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-4391
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-33616
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	195 S.
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