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“.

The construction of TRIGA-TRAP and direct high-precision Penning trap mass measurements on rare-earth elements and americium

Nuclear masses are an important quantity to study nuclear structure since they reflect the sum of all nucleonic interactions. Many experimental possibilities exist to precisely measure masses, out of which the Penning trap is the tool to reach the highest precision. Moreover, absolute mass measurements can be performed using carbon, the atomic-mass standard, as a reference. The new double-Penning trap mass spectrometer TRIGA-TRAP has been installed and commissioned within this thesis work, which is the very first experimental setup of this kind located at a nuclear reactor. New technical developments have been carried out such as a reliable non-resonant laser ablation ion source for the production of carbon cluster ions and are still continued, like a non-destructive ion detection technique for single-ion measurements. Neutron-rich fission products will be available by the reactor that are important for nuclear astrophysics, especially the r-process. Prior to the on-line coupling to the reactor, TRIGA-TRAP already performed off-line mass measurements on stable and long-lived isotopes and will continue this program. The main focus within this thesis was on certain rare-earth nuclides in the well-established region of deformation around N~90. Another field of interest are mass measurements on actinoids to test mass models and to provide direct links to the mass standard. Within this thesis, the mass of 241-Am could be measured directly for the first time.

First direct mass measurements on nobelium and lawrencium with the Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP

Das Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP wurde gebaut um HochprÄazi-rnsionsmassenmessungen an schweren Radionukliden durchzufÄuhren, die in Fusions-rnreaktionen produziert und vom Geschwindigkeitsfilter SHIP vom Primärstrahl sepa-rnriert werden. Es besteht aus einer Gaszelle zur Abbremsung der hochenergetis-rnchen Reaktionsprodukte, einem RFQ-Kühler und Buncher zur Kühlung und Akku-rnmulation der Ionen und einem Doppel-Penningfallen-System um Massenmessungenrndurchzuführen. Die Masse wird durch die Messungen der Zyklotronfrequenz desrnentsprechenden Ions in einem starken homogenen Magnetfeld bestimmt. Diese Fre-rnquenz wird mit der Frequenz eines wohlbekannten Referenzions verglichen. Mitrndieser Methode können relative Fehler in der Größenordnung von 10^-8 erreicht werden. Kürzlich konnten die Massen der Nobeliumisotope 252-254No (Z=102) und desrnLawrenciumisotops 255Lr (Z=103) erstmals erfolgreich gemessen werden. Dies warenrndie ersten direkten Massenmessungen an Transuranen. Die Produktionrate dieserrnAtome lag bei etwa eins pro Sekunde und weniger. Die Ergebnisse der Massenmes-rnsungen an Nobelium bestätigen die früheren Massenwerte, die aus Q_alpha-Messungenrnabgeleitet wurden. Im Fall von 255Lr wurde der Massenexzess, der bis dahin nur ausrnsystematischen Trends abgeschätzt wurde, zum ersten Mal direkt bestimmt. DiesernErgebnisse sind ein erster Schritt für die an SHIPTRAP geplante Erforschung derrnRegion der Transurane. Das Hauptziel ist hierbei die Bestimmung der Endpunkternder alpha-Zerfallsketten, die in superschweren Elementen in der Nähe der vorhergesagtenrnStabilitätsinsel ihren Ursprung nehmen.

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.

Standard model cross-over on the lattice

With the physical Higgs mass the standard model symmetry restoration phase transition is a smooth cross-over. We study the thermodynamics of the cross-over using numerical lattice Monte Carlo simulations of an effective SU(2)×U(1) gauge+Higgs theory, significantly improving on previously published results. We measure the Higgs field expectation value, thermodynamic quantities like pressure, energy density, speed of sound and heat capacity, and screening masses associated with the Higgs and Z fields. While the cross-over is smooth, it is very well defined with a width of only ∼5  GeV. We measure the cross-over temperature from the maximum of the susceptibility of the Higgs condensate, with the result Tc=159.5±1.5  GeV. Outside of the narrow cross-over region the perturbative results agree well with nonperturbative ones.

Preparatory studies for a high-precision Penning-trap measurement of the 163Ho electron capture Q-value

The ECHo Collaboration (Electron Capture 163Ho aims to investigate the calorimetric spectrum following the electron capture decay of 163Ho to determine the mass of the electron neutrino. The size of the neutrino mass is reflected in the endpoint region of the spectrum, i.e., the last few eV below the transition energy. To check for systematic uncertainties, an independent determination of this transition energy, the Q-value, is mandatory. Using the TRIGA-TRAP setup, we demonstrate the feasibility of performing this measurement by Penning-trap mass spectrometry. With the currently available, purified 163Ho sample and an improved laser ablation mini-RFQ ion source, we were able to perform direct mass measurements of 163Ho and 163Dy with a sample size of less than 1017 atoms. The measurements were carried out by determining the ratio of the cyclotron frequencies of the two isotopes to those of carbon cluster ions using the time-of-flight ion cyclotron resonance method. The obtained mass excess values are ME(163Ho)= −66379.3(9) keV and ME(163Dy)= −66381.7(8) keV. In addition, the Q-value was measured for the first time by Penning-trap mass spectrometry to be Q = 2.5(7) keV.

A combined search for the standard model Higgs boson at root S=1.96 TeV

We present new results of the search for WH --> lvb (b) over bar production in p (p) over bar collisions at a center-of-mass energy of root S = 1.96 TeV, based on a dataset with integrated luminosity of 0.44 fb(-1). We combine these new results with previously published searches by the do collaboration, for WH and ZH production analyzed in the E(T)b (b) over bar final state, for ZH (--> l(+)l(-)b (b) over bar) production, for WH (-->. WWW) production, and for H (--> W W) direct production. No signal-like excess is observed either in the W H analysis or in the combination of all D0 Higgs boson analyses. We set 95% C.L. (expected) upper limits on sigma(p (p) over bar --> WH) x B(H --> b (b) over bar) ranging from 1.6 (2.2) ph to 1.9 (3.3) pb for Higgs boson masses between 105 and 145 GeV, to be compared to the theoretical prediction of 0.13 pb for a Standard Model (SM) Higgs boson with mass in m(H) = 115 GeV. After combination with the other do Higgs boson searches, we obtain for in H = 115 GeV an observed (expected) limit 8.5 (12.1) times higher than the SM predicted Higgs boson production cross section. For m(H) = 160 GeV, the corresponding observed (expected) ratio is 10.2 (9.0). (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Combination of Tevatron Searches for the Standard Model Higgs Boson in the W+W- Decay Mode

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Search for the Standard Model Higgs Boson in the ZH -> v(v)over-barb(b)over-bar Channel in 5.2 fb(-1) of p(p)over-bar Collisions at root s=1.96 TeV

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Search for the Standard Model Higgs Boson in Tau Final States

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Search for the Standard Model Higgs Boson in the H -> WW -> lvq '(q)over-bar Decay Channel

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Search for a Fermiophobic and Standard Model Higgs Boson in Diphoton Final States

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Search for neutral minimal supersymmetric standard model Higgs bosons decaying to tau pairs produced in association with b quarks in pp̄ collisions at √s=1.96TeV

We report results from a search for neutral Higgs bosons produced in association with b quarks using data recorded by the D0 experiment at the Fermilab Tevatron Collider and corresponding to an integrated luminosity of 7.3fb-1. This production mode can be enhanced in several extensions of the standard model (SM) such as in its minimal supersymmetric extension (MSSM) at high tan β. We search for Higgs bosons decaying to tau pairs with one tau decaying to a muon and neutrinos and the other to hadrons. The data are found to be consistent with SM expectations, and we set upper limits on the cross section times branching ratio in the Higgs boson mass range from 90 to 320GeV/c2. We interpret our result in the MSSM parameter space, excluding tan β values down to 25 for Higgs boson masses below 170GeV/c2. © 2011 American Physical Society.

Combined search for the standard model Higgs boson decaying to bb̄ using the D0 run II data set

We present the results of the combination of searches for the standard model Higgs boson produced in association with a W or Z boson and decaying into bb̄ using the data sample collected with the D0 detector in pp̄ collisions at √s=1.96TeV at the Fermilab Tevatron Collider. We derive 95% C.L. upper limits on the Higgs boson cross section relative to the standard model prediction in the mass range 100GeV≤M H≤150GeV, and we exclude Higgs bosons with masses smaller than 102 GeV at the 95% C.L. In the mass range 120GeV≤M H≤145GeV, the data exhibit an excess above the background prediction with a global significance of 1.5 standard deviations, consistent with the expectation in the presence of a standard model Higgs boson. © 2012 American Physical Society.

Search for the standard model Higgs boson in associated WH production in 9.7fb -1 of pp̄ collisions with the D0 detector

We present a search for the standard model Higgs boson in final states with a charged lepton (electron or muon), missing transverse energy, and two or three jets, at least one of which is identified as a b-quark jet. The search is primarily sensitive to WH→ νbb̄ production and uses data corresponding to 9.7fb -1 of integrated luminosity collected with the D0 detector at the Fermilab Tevatron pp̄ Collider at √s=1.96TeV. We observe agreement between the data and the expected background. For a Higgs boson mass of 125 GeV, we set a 95% C.L. upper limit on the production of a standard model Higgs boson of 5.2×σ SM, where σ SM is the standard model Higgs boson production cross section, while the expected limit is 4.7×σ SM. © 2012 American Physical Society.