Determination of the magnetic moment by QCD sum rules

The magnetic moment of the Λ hyperon is calculated using the QCD sum-rule approach of Ioffe and Smilga. It is shown that μΛ has the structure μΛ=(2/3(eu+ed+4es)(eħ/2MΛc)(1+δΛ), where δΛ is small. In deriving the sum rules special attention is paid to the strange-quark mass-dependent terms and to several additional terms not considered in earlier works. These terms are now appropriately incorporated. The sum rule is analyzed using the ratio method. Using the external-field-induced susceptibilities determined earlier, we find that the calculated value of μΛ is in agreement with experiment.

Charged pion contribution to the anomalous magnetic moment of the muon

The model dependence inherent in hadronic calculations is one of the dominant sources of uncertainty in the theoretical prediction of the anomalous magnetic moment of the muon. In this thesis, we focus on the charged pion contribution and turn a critical eye on the models employed in the few previous calculations of $a_\mu^{\pi^+\pi^-}$. Chiral perturbation theory provides a check on these models at low energies, and we therefore calculate the charged pion contribution to light-by-light (LBL) scattering to $\mathcal{O}(p^6)$. We show that the dominant corrections to the leading order (LO) result come from two low energy constants which show up in the form factors for the $\gamma\pi\pi$ and $\gamma\gamma\pi\pi$ vertices. Comparison with the existing models reveal a potentially significant omission - none include the pion polarizability corrections associated with the $\gamma\gamma\pi\pi$ vertex. We next consider alternative models where the pion polarizability is produced through exchange of the $a_1$ axial vector meson. These have poor UV behavior, however, making them unsuited for the $a_\mu^{\pi^+\pi^-}$ calculation. We turn to a simpler form factor modeling approach, generating two distinct models which reproduce the pion polarizability corrections at low energies, have the correct QCD scaling at high energies, and generate finite contributions to $a_\mu^{\pi^+\pi^-}$. With these two models, we calculate the charged pion contribution to the anomalous magnetic moment of the muon, finding values larger than those previously reported: $a_\mu^\mathrm{I} = -1.779(4)\times10^{-10}\,,\,a_\mu^\mathrm{II} = -4.892(3)\times10^{-10}$.

Ferrofluid thin films as optical gaussmeters proposed for field and magnetic moment sensing

Ferrofluids belonging to the series, Ni x Fe1-x Fe2O4 and Zn x Fe1-x Fe2O4, were synthesized using cold co-precipitation. Liquid films of these ferrofluids were prepared by encapsulating the ferrofluids in between two optically smooth and ultrasonically cleaned glass plates. Magnetic field induced laser transmission through these ferrofluid films has been investigated. Magnetic field values can be calibrated in terms of output laser power in the low field region in which the variation is linear. This set up can be used as a cheap optical gaussmeter in the low field regime. Using the same set-up, the saturation magnetization of the sample used can also be calculated with a sample that is pre-characterized. Hence both magnetization of the sample, as well as applied magnetic field can be sensed and calculated with a precalibrated sample.

Electric charge quantization and the muon anomalous magnetic moment

We investigate some proposals to solve the electric charge quantization puzzle that simultaneously explain the recent measured deviation on the muon anomalous magnetic moment. For this we assess extensions of the electro-weak standard model spanning modifications on the scalar sector only. It is interesting to verify that one can have modest extensions which easily account for the solution for both problems.

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.

A planar Penning trap

In this thesis I present theoretical and experimental results concern- ing the operation and properties of a new kind of Penning trap, the planar trap. It consists of circular electrodes printed on an isolating surface, with an homogeneous magnetic field pointing perpendicular to that surface. The motivation of such geometry is to be found in the construction of an array of planar traps for quantum informa- tional purposes. The open access to radiation of this geometry, and the long coherence times expected for Penning traps, make the planar trap a good candidate for quantum computation. Several proposals for quantum 2-qubit interactions are studied and estimates for their rates are given. An expression for the electrostatic potential is presented, and its fea- tures exposed. A detailed study of the anharmonicity of the potential is given theoretically and is later demonstrated by experiment and numerical simulations, showing good agreement. Size scalability of this trap has been studied by replacing the original planar trap by a trap twice smaller in the experimental setup. This substitution shows no scale effect apart from those expected for the scaling of the parameters of the trap. A smaller lifetime for trapped electrons is seen for this smaller trap, but is clearly matched to a bigger misalignment of the trap’s surface and the magnetic field, due to its more difficult hand manipulation. I also give a hint that this trap may be of help in studying non-linear dynamics for a sextupolarly perturbed Penning trap.

First Ramsey-type mass measurements with ISOLTRAP and design studies of the new PENTATRAP project

Der Einsatz von Penningfallen in der Massenspektrometrie hat zu einem einmaligen Genauigkeitssprung geführt. Dadurch wurden Massenwerte verschiedenster Atome zu wichtigen Eingangsparametern bei immer mehr physikalischen Fragestellungen. Die Massenspektrometrie mit Hilfe von Penningfallen basiert auf der Bestimmung der freien Zyklotronfrequenz eines Ions in einem homogenen Magnetfeld νc=qB/(2πm). Sie wird mit Flugzeitmethode (TOF-ICR) bestimmt, wobei eine relative Massenungenauigkeit δm/m von wenigen 10^-9 bei Nukliden mit Lebensdauern von <500 ms erreicht wird. Dies wurde durch die im Rahmen dieser Arbeit erstmals in der Penningfallen-Massenspektrometrie eingesetzten Ramsey-Methode möglich. Dabei werden zeitlich separierte, oszillierenden Feldern zur resonanten Ionenanregung genutzt, um die Frequenzmessung durch die Flugzeitmethode zu verbessern. Damit wurden am Penningfallenmassenspektrometer ISOLTRAP an ISOLDE/CERN die Massen der Nuklide 26,27Al und 38,39Ca bestimmt. Alle Massen wurden in die „Atomic Mass Evaluation“ eingebettet. Die Massenwerte von 26Al und 38Ca dienten insbesondere zu Tests des Standardmodells. Um mit Massenwerten fundamentale Symmetrien oder die Quantenelektrodynamik (QED) in extremen Feldern zu testen wurde ein neues Penningfallenprojekt (PENTATRAP) für hochpräzise Massenmessungen an hochgeladenen Ionen konzipiert. In dieser Doktorarbeit wurde vornehmlich die Entwicklung der Penningfallen betrieben. Eine Neuerung bei Penningfallenexperimenten ist dabei die permanente Beobachtung des Magnetfeldes B und seiner zeitlichen Fluktuationen durch so genannte „Monitorfallen“.

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

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.

1H NMR study of internal motions and quantum rotational tunneling in (CH3)4NGeCl3

(CH3)4NGeCl3 is prepared, characterized and studied using 1H NMR spin lattice relaxation time and second moment to understand the internal motions and quantum rotational tunneling. Proton second moment is measured at 7 MHz as function of temperature in the range 300-77 K and spin lattice relaxation time (T1) is measured at two Larmor frequencies, as a function of temperature in the range 270-17 K employing a homemade wide-line/pulsed NMR spectrometers. T1 data are analyzed in two temperature regions using relevant theoretical models. The relaxation in the higher temperatures (270-115 K) is attributed to the hindered reorientations of symmetric groups (CH3 and (CH3)4N). Broad asymmetric T1 minima observed below 115 K down to 17 K are attributed to quantum rotational tunneling of the inequivalent methyl groups.

Structural and Magnetic Properties of Sm Implanted GaN

The structural and magnetic properties of Sm ion-implanted GaN with different Sm concentrations are investigated. XRD results do not show any peaks associated with second phase formation. Magnetic investigations performed by superconducting quantum interference device reveal ferromagnetic behavior with an ordering temperature above room temperature in all the implanted samples, while the effective magnetic moment per Sm obtained from saturation magnetization gives a much higher value than the atomic moment of Sm. These results could be explained by the phenomenological model proposed by Dhar et al. [Phys. Rev. Lett. 94(2005) 037205, Phys. Rev. B 72(2005) 245203] in terms of a long-range spin polarization of the GaN matrix by the Sm atoms.

An introduction to the trapping of clusters with ion traps and electrostatic storage devices

This paper presents an introduction to the application of ion traps and storage devices for cluster physics. Some experiments involving cluster ions in trapping devices such as Penning traps, Paul traps, quadrupole or multipole linear traps are briefly discussed. Electrostatic ion storage rings and traps which allow for the storage of fast ion beams without mass limitation are presented as well. We also report on the recently developed mini-ring, a compact electrostatic ion storage ring for cluster, molecular and biomolecular ion studies.

Probing magnetic order in ultracold lattice gases

A forthcoming challenge in ultracold lattice gases is the simulation of quantum magnetism. That involves both the preparation of the lattice atomic gas in the desired spin state and the probing of the state. Here we demonstrate how a probing scheme based on atom-light interfaces gives access to the order parameters of nontrivial quantum magnetic phases, allowing us to characterize univocally strongly correlated magnetic systems produced in ultracold gases. This method, which is also nondemolishing, yields spatially resolved spin correlations and can be applied to bosons or fermions. As a proof of principle, we apply this method to detect the complete phase diagram displayed by a chain of (rotationally invariant) spin-1 bosons.

Weakly bound atomic trimers in ultracold traps

The scaling dependence of the recombination parameter as a function of the ratio between the energies of the atomic dimer and the most excited trimer states was derived. The scaling function tends to a unversal function in the limit of zero-range interaction or infinite scattering length. This paper reports on how one can obtain the trimer binding energy of a trapped atomic system, from the three-body recombination rate and the corresponding two-body scattering length.