Test of Lorentz symmetry with a 3 He,129 Xe clock-comparison experiment

In case of violation of CPT- and Lorentz Symmetry, the minimal Standard Model Extension (SME) of Kostelecky and coworkers predicts sidereal modulations of atomic transition frequencies as the Earth rotates relative to a Lorentz-violating background field. One method to search for these modulations is the so-called clock-comparison experiment, where the frequencies of co-located clocks are compared as they rotate with respect to the fixed stars. In this work an experiment is presented where polarized 3He and 129Xe gas samples in a glass cell serve as clocks, whose nuclear spin precession frequencies are detected with the help of highly sensitive SQUID sensors inside a magnetically shielded room. The unique feature of this experiment is the fact that the spins are precessing freely, with transverse relaxation times of up to 4.4 h for 129Xe and 14.1 h for 3He. To be sensitive to Lorentz-violating effects, the influence of external magnetic fields is canceled via the weighted difference of the 3He and 129Xe frequencies or phases. The Lorentz-violating SME parameters for the neutron are determined out of a fit on the phase difference data of 7 spin precession measurements of 12 to 16 hours length. The result of the fit gives an upper limit for the equatorial component of the neutron parameter b_n of 3.7×10^(−32) GeV at the 95% confidence level. This value is not limited by the signal-to-noise ratio, but by the strong correlations between the fit parameters. To reduce the correlations and therewith improve the sensitivity of future experiments, it will be necessary to change the time structure of the weighted phase difference, which can be realized by increasing the 129Xe relaxation time.

Production of antihydrogen via double charge exchange

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.

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.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

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 10−9 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 × 10−6 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.