Universitätsbibliothek Wien

A spin-flip cavity for microwave spectroscopy of antihydrogen

Federmann, Silke (2012) A spin-flip cavity for microwave spectroscopy of antihydrogen.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Widmann, Eberhard

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30004.65726.631964-3
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Abstract in English

The present thesis is a contribution to the ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) experiment. The aim of this experiment is to measure the ground-state hyperfine structure of antihydrogen. This is done using a Rabi-like spectrometer line consisting of an antihydrogen source, a microwave cavity, a sextupole magnet and a detector. The cavity induces spin-flip transitions in the ground-state hyperfine levels of antihydrogen whereas the sextupole magnet selects the antihydrogen atoms according to their spin state. Such a configuration allows the measurements of the hyperfine transition in antihydrogen with very high precision. A comparison with the corresponding transitions in hydrogen would thus provide a very sensitive test of the charge-parity-time (Cpt) symmetry. In the context of this thesis, the central piece of this spectrometer line, the spin flip cavity, was designed and implemented. The delicacy of this task was achieving the required field homogeneity: It needs to be better than 90% over a volume of ≈ 1000 cm3 (wavelength 21 cm) to yield reasonable experimental resolution. Furthermore, to avoid uncontrolled spin-flip transitions (Majorana spinflips), a static magnetic field superimposed to the microwave field is necessary. This static field has to fulfill similar requirements on field homogeneity as the microwave field. A suitable static field including an efficient shielding solution was implemented in the context of this thesis as well. The overall outline of the work is as follows: After a general introduction setting the global context of this thesis, the corresponding theoretical background is presented. Subsequently, the experimental setup is discussed including a more detailed overview of the single components of the spectrometer line. In the following, special emphasis is put on the design studies and the mechanical implementation of the spin-flip cavity as well as on the implementation of the static magnetic field including an efficient shielding. The thesis is concluded with a short summary and an outlook on future upgrades of the current setup.

Abstract in German

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zum ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) Experiment mit dem Ziel der Messung der Hyperfeinstruktur von Antiwasserstoff mittels eines Rabi Aufbaus. Dieser Aufbau besteht aus einer Antiwasserstoffquelle, einem Hohlraumresonator, einem Sextupol Magneten sowie einem Detektor. Der Hohlraumresonator hat die Funktion die einzelnen hyperfeinen Übergänge des Antiwasserstoffs im Grundzustand anzuregen, während der Sextupol Magnet dazu dient, die Antiwasserstoffatome entsprechend ihres Spins zu selektieren. Solch ein Aufbau ermöglicht eine hochpräzise Messung der Hyperfein-Übergangsfrequenzen im Antiwasserstoffatom. Ein Vergleich dieser mit den entsprechenden Übergängen in Wasserstoff bietet die Möglichkeit, die CPT (charge-parity-time) Symmetrie mit sehr hoher Genauigkeit zu überprüfen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Herzstück dieses Aufbaus, der Hohlraumresonator entworfen und gebaut. Die Schwierigkeit des Designs eines geeigneten Resonators lag in den extremen Anforderungen an die Feldhomogenität: Um eine genügend große Auflösung der Übergangsfrequenz sicherzustellen, muss das oszilierende Feld im Inneren des Resonators über die gesamte Strahlapertur (ca. 1000 cm3, Wellenlänge 21 cm) eine Feldhomogenität von über 90% aufweisen. Außerdem ist es erforderlich, dem Mikrowellenfeld ein statisches Magnetfeld zu überlagern, um unkontrollierte Übergänge (sog. Majorana spin-flips) zwischen den Hyperfeinniveaus zu vermeiden. Ebenso wie das oszillierende Feld unterliegt das statische Feld strikten Anforderungen an die Feldhomogenität. Der Entwurf sowie die praktische Umsetzung eines statischen Feldes, das den obgenannten Bedingungen genügt, wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Des weiteren wurde eine effiziente magnetische Abschirmung zur Dämpfung externer Streufelder untersucht und implementiert. Zusammen mit einer allgemeinen Einleitung, den entsprechenden theoretischen Grundlagen und einer Beschreibung der Komponenten des Rabi Aufbaus, werden diese Ergebnisse im Kontext der vorliegenden Arbeit präsentiert.

Schlagwörter in Deutsch

Antiwasserstoff / Spektroskopie

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Federmann, Silke
Title: A spin-flip cavity for microwave spectroscopy of antihydrogen
Umfangsangabe: 115 S.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2012
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Widmann, Eberhard
Assessor: Doser, Michael
2. Assessor: Blaum, Klaus
Classification: 33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
33 Physik > 33.07 Spektroskopie
33 Physik > 33.09 Physik unter besonderen Bedingungen
AC Number: AC11008755
Item ID: 22584
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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