Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4441
Authors: Schneider, Georg
Title: 300 ppt Measurement of the Proton g-Factor
Online publishing date: 13-Jun-2018
Language : english
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Messung des Proton g-Faktors um mehr als eine Größenordnung verbessert, verglichen mit dem vorherigen Experiment. Um das magnetische Moment des Protons zu messen, wird ein isoliertes Proton in einer kryogenen Doppelfalle gespeichert. Die Präzisionsfalle dient der Hochpräzisionsmessung der freien Zyklotronfrequenz und der simultanen Anregung mit der Larmorfrequenz. Anschließend wird das Teilchen in die Analysefalle transportiert, um den Spinzustand zu bestimmen. Diese Messsequenz wird mehrere hundert Male wiederholt, um die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion der eingestrahlten Larmorfrequenz zu messen. Das magnetische Moment in Einheiten des Kernmagnetons ist dann gegeben durch das Verhältnis aus Larmorfrequenz und freier Zyklotronfrequenz. Um den Spinzustand des Protons zu bestimmen, wird der kontinuierliche Stern-Gerlach-Effekt in der Analysefalle angewandt. Dieser verwendet ein inhomogenes magnetisches Feld, um den Spinzustand nicht-destruktiv auszulesen. Diese Methode wurde zum ersten Mal mit großem Erfolg für Elektron/Positron g-2 Experimente von Dehmelt im Jahr 1986/1987 verwendet. Verglichen mit dem Elektron erfordert das Proton ein mehr als 10000-fach empfindlicheres Experiment aufgrund der intrinsischen Kleinheit des magnetischen Moments. Um die Limitationen der vorherigen Messung zu beseitigen, wurde die Apparatur und die experimentelle Routine signifikant modifiziert. Dies beinhaltet eine höhere magnetische Homogenität, eine höhere Magnetfeldstabilität mittels einer quasi-aktiven Magnetfeldabschirmung, eine optimierte Anregungsamplitude und neue supraleitende Nachweissysteme mit verbesserten kryogenen rauscharmen Verstärkern. All diese Verbesserungen führten zu einer 12 mal schmäleren Linienbreite und zu einer doppelt so hohen Datensammelrate. Das endgültige Ergebnis mit einer Genauigkeit von 3*10^-10 stellt die präziseste Messung eines Kernmoments dar. Ein direkter Vergleich mit dem magnetischen Moment des Antiprotons erlaubt einen verbesserten Test einer fundamentalen Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, der kombinierten CPT (Ladung, Parität, Zeit) Invarianz. Ein weiterer Test der CPT-Symmetrie wurde durch die Messung des Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses zwischen Proton und Antiproton mit einer Genauigkeit von 69*10^-12 im Rahmen der BASE-Kollaboration am CERN mitentwickelt.
As a part of this work the measurement of the proton g factor was improved by more than one order of magnitude compared to the previous experiment. To measure the proton magnetic moment, a single isolated particle is stored in a cryogenic double Penning-trap system. The precision trap is used for the high-precision measurement of the particle's free cyclotron frequency and the simultaneous excitation with a Larmor drive. Subsequently, the particle is transported to the analysis trap where spin-transition spectroscopy is performed. This sequence is repeated several hundred times to measure the spin-flip probability as a function of the Larmor drive. The magnetic moment in units of the nuclear magneton is then obtained by the ratio of the Larmor frequency and the free cyclotron frequency. To detect the proton spin state the continuous Stern-Gerlach effect is applied in the analysis trap. Here, an inhomogeneous magnetic field to detect the spin state in a nondestructive way is used. The method was first introduced and applied with great success in electron/positron g-2 experiments by Dehmelt in 1986/1987. In comparison, its application to the proton system requires a more than 10000-fold as sensitive apparatus due to the intrinsic weakness of the proton magnetic moment To overcome the limitations of the previous measurement the apparatus and the experimental routines were significantly improved. This includes a higher magnetic homogeneity, a more stable magnetic field by means of quasi-active magnetic shielding, an optimized drive strength and new highly sensitive superconducting detection circuits with improved cryogenic ultra-low-noise amplifiers. These modifications led to a 12 times narrower linewidth and a two times higher data collection rate. The final result with a fractional precision of 3*10^-10 is the most precise measurement of any nuclear magnetic moment to date. A direct comparison to the antiproton magnetic moment allows for an improved direct test of a fundamental symmetry between ordinary matter and antimatter, the combined CPT (Charge, Parity, Time) invariance. An additional CPT test was achieved by comparing the charge-to-mass ratio of proton and antiproton with a fractional precision of 69*10^-12 as part of the BASE collaboration at CERN.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4441
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XVI, 135 Seiten
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