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Molecular anions as a coolant for antimatter experiments

Fesel, Julian Valentin (2019) Molecular anions as a coolant for antimatter experiments.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Aspelmeyer, Markus

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DOI: 10.25365/thesis.58218
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-13409.92654.246766-2

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Abstract in English

The topics of this thesis describe the effort that was made towards laser cooling of anions, with the goal to use them as a sympathetic coolant for antiprotons in a Penning trap. It covers a theoretical analysis of the requirements and the expected performance of different cooling schemes, as well as a report on efforts towards an experimental realisation. The focus is on the molecular anion species C2−, which was chosen due to a recent survey of possible molecular candidates and the challenges which arise in the use of atomic anions (Yzombard et al., 2015). After an introduction to the topic, some general properties of anionic molecules are discussed, including their electronic level structure. The theory behind the interaction of light with molecules is presented, to the extent relevant for the later sections. This then leads to a more detailed presentation of the specific case of C2−, with a focus on the levels and transitions which are interesting for laser cooling. Simulations of different laser cooling schemes are then presented. These were done on the basis of a GPU accelerated C++ code, which is designed for the simulation of particles in a Penning trap (Van Gorp et al., 2011; Van Gorp and Dupre, 2013), and which was customised to include the interaction of the molecules with the laser. The simulations led to two publications (Fesel et al., 2017; Gerber et al., 2018), which are reproduced in sections 2.5.1 and 2.5.2. A discussion and comparison of the results which were found is presented in section 2.6. The discussion aims at giving the reader an overview of the challenges and prospects, which are to be expected with laser cooling of C2−. Chapter 3 then describes the experimental work that was done. The main topic is the setup for a C2− source which was built. This is based on the use of a commercial supersonic expansion valve (SSEV) and a subsequent dielectric barrier discharge (DBD) (Even, 2015). The DBD is then used to ionise a gas mixture of acetylene in a noble carrier. The produced anions are accelerated and then mass selected with the help of a Wien filter. A detailed description of the setup is given (see figure 3.1 for an overview), followed by a presentation of the results. Here, a mass spectrum is presented, showing the successful production of anions with a mass of 24u, which corresponds to C2−. Additionally, the setup foresees a possibility for photodetachment spectroscopy on the produced anions. To this end, an optical resonator was built, which allows to enhance the light intensity of a 399nm laser, while also allowing the transmission of 2.54μm light. This allows for resonant stimulation of C2−. The optical setup for the frequency stabilisation of the laser to the resonator is presented (see figure 3.6 for an overview), followed by a presentation of the experimental results on the device. This includes a determination of the resonators finesse to F = (12800 ± 700) and a verification of the stability of the laser lock during the operation of the C2− source. Finally in chapter 4, a conclusion is given, which summarises the work described by this thesis and includes an outlook on the upcoming steps.

Schlagwörter in Englisch

Antimatter / Anions / CERN / Laser cooling / Penning trap

Abstract in German

Das Thema dieser Dissertation ist die Laserkühlung von molekularen Anionen mit dem Ziel, diese für die sympathetische Kühlung von Antiprotonen in einer Penning–Falle einzusetzen. Sie beinhaltet sowohl eine theoretische Analyse der Eignung von verschiedenen Kühlmethoden als auch einen Bericht über die Fortschritte, welche in Richtung einer experimentellen Realisierung gemacht wurden. Der Fokus liegt auf der molekularen Spezies C2−, welche in einer kürzlich durchgeführten Studie als Vorteilhafteste einer Reihe von Kandidaten ausgemacht wurde. Das Thema der Laserkühlung von anionischen Molekülen gewinnt auch dadurch an Brisanz, dass das Kühlen von atomaren Anionen bisher nicht erfolgreich war, obwohl es Bestrebungen in diese Richtung gibt (Yzombard et al., 2015). Nach einer generellen Einleitung des Themas werden die grundlegenden Eigenschaften von anionischen Molekülen besprochen, was insbesondere ihre elektronische Struktur betrifft. Diesem folgt eine Behandlung der Interaktion von Licht mit den Übergängen zwischen den elektronischen Zuständen, insoweit diese für die späteren Kapitel von Bedeutung ist. Ein besonderes Augenmerk liegt schließlich auf der elektronischen Struktur von C2− und den Übergängen, die für die Laserkühlung von Interesse sind. Dem folgt eine ausführliche, theoretische Untersuchung von verschiedenen Implementierungen der Laserkühlung. Diese Analyse wurde mithilfe von Computersimulationen gemacht, die mit einem GPU–beschleunigten C++ Programm durchgeführt wurden (Van Gorp et al., 2011; Van Gorp and Dupre, 2013). Letzteres wurde speziell für die Simulation von Ladungen in einer Penning–Falle geschrieben und im Rahmen dieser Arbeit um die Interaktion zwischen Teilchen und Laserlicht erweitert. Die Simulationen resultierten in zwei Publikationen (Fesel et al., 2017; Gerber et al., 2018), welche in den Unterkapiteln 2.5.1 und 2.5.2 zu finden sind. Eine Zusammenfassung sowie ein Vergleich der unter- suchten Kühlmethoden, findet sich schließlich in Unterkapitel 2.6. Letzteres zielt darauf ab, dem Leser einen Überblick darüber zu verschaffen, welche Herausforderungen bei der experimentellen Realisierung der Laserkühlung von C2− zu erwarten sind. In Kapitel 3 wird schließlich der experimentelle Aufbau für die Bereitstellung von C2− beschrieben. Dieser basiert auf einem sogenannten ”Supersonic Expansion Valve“, welches in Kombination mit einem ”Dielectric Barrier Discharge“ ein Gasgemisch aus Acetylen in einem noblen Trägergas ionisiert. Die produzierten Anionen werden anschließend beschleunigt und mittels eines Wien–Filters die gewünschte Masse ausgewählt. Der verwendete experimentelle Aufbau wird im Detail beschrieben (siehe Abbildung 3.1 für einen Überblick) und die gewonnenen Resultate präsentiert. Letztere inkludieren ein Massenspektrum, welches die erfolgreiche Produktion von Anionen mit einer Masse von 24 u zeigt, welche C2− entspricht. Im experimentellen Aufbau wurde ebenfalls eine Möglichkeit zur Spektroskopie der produzierten Anionen vorgesehen, welche auf die Photoneutralisation von angeregten Anionen ausgelegt ist. Zu diesem Zweck wurde ein optischer Resonator für die Überhöhung der Energiedichte eines 399nm Lasers gebaut, welcher gleichzeitig durchlässig für Licht mit einer Wellenlänge von 2.54μm ist, um die resonante Anregung der Anionen zu ermöglichen. Der optische Aufbau zur Stabilisierung des 399 nm Lasers auf den Resonator wird beschrieben (siehe Abbildung 3.6 für einen Überblick), gefolgt von einer Diskussion der experimentellen Resultate. Letztere inkludieren eine Bestimmung des Gütefaktors des Resonators auf F=(12800±700) und eine Überprüfung der Robustheit der Stabilisierung während des Betriebs der C2− Quelle. Zu guter Letzt findet in Kapitel 4 eine übergreifende Diskussion der besprochenen Inhalte statt und es wird ein Ausblick auf die zukünftig notwendige Arbeit gegeben.

Schlagwörter in Deutsch

Antimaterie / Anionen / CERN / Laserkühlung / Penning Falle

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Fesel, Julian Valentin
Title: Molecular anions as a coolant for antimatter experiments
Umfangsangabe: 101 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Publication year: 2019
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Aspelmeyer, Markus
2. Supervisor: Doser, Michael
Assessor: Kellerbauer, Alban
2. Assessor: Wester, Roland
Classification: 33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
33 Physik > 33.00 Physik: Allgemeines
33 Physik > 33.18 Optik
AC Number: AC15557328
Item ID: 58218
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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