Design and implementation of new optics for the atomic hydrogen beam of ASACUSA's antihydrogen hyperfine spectroscopy experiment

Abstract

Die ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) Kollaboration am CERN wird ein Experiment unter Nutzung der Magnetresonanz-Methode von I. I. Rabi durchführen um die Frequenzen der Hyperfeinstruktur-Übergänge des Grundzustands von Antiwasserstoff zu vermessen. Da Antiwasserstoff der CPT-symmetrische Partner von Wasserstoff ist, und die Frequenzen dieser Übergänge in Wasserstoff sehr gut bekannt sind, stellen solche Messungen einen sehr empfindlichen Test der CPT Symmetrie dar. Um den Spektroskopieapparat für den Betrieb mit Antiwasserstoffatomen vorzubereiten werden Messungen mit Wasserstoffatomen durchgeführt. Es wird ein Strahl von atomarem Wasserstoff anstelle der ASACUSA Antiwasserstoffquelle und ein Quadrupol-Massenspektrometer anstelle des Annihilations-Detektors verwendet. Ein Spektrometer (bestehend aus einer Kavität um einen der beiden möglichen Übergänge, den sogenannten σ- Übergang, zu messen und einem supraleitenden Sextupolmagneten) wurde bereits gebaut und charakterisiert und ist derzeit im Einsatz am ASACUSA Antiwasserstoff-Hyperfeinstruktur Experiment am CERN. In dieser Arbeit wird eine zweite Kavität vorbereitet, die eine gleichzeitige Messung beider möglicher Übergänge (der σ- und TT-Übergänge) erlaubt. Für den Betrieb mit Wasserstoff wird der supraleitende Sextupolmagnet durch permanente Sextupolmagnete ersetzt, die im Zuge dieser Arbeit gebaut und charakterisiert werden. Die Geschwindigkeits- und Zustandsselektion eines Duplets aus Sextupolmagneten wird simuliert und vermessen. Numerische Simulationen zu den Trajektorien der Wasserstoffatome in dem Spektroskopieapparat werden durchgeführt, um ein quantitatives Verständnis des Strahltransports zu erhalten. Diese Simulationen führen zu einer neuen Strahloptik, basierend auf Ringblenden, die implementiert und getestet werden. Schließlich werden die σ und TT- Hyperfein Übergänge des Grundzustands von Wasserstoff mit dem Spektroskopieapparat im Erdmagnetfeld vermessen.

The ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) collaboration at CERN will perform an experiment using Rabi's magnetic resonance method to measure the frequencies of ground state hyperfine transitions of antihydrogen. Since antihydrogen is the CPT symmetric partner of hydrogen and the frequency of these transitions in hydrogen are very well known, such measurements will provide a very sensitive test of CPT symmetry. To prepare and characterize the spectroscopy apparatus for measurements with antihydrogen atoms, measurements with hydrogen atoms are performed. A beam of atomic hydrogen is used instead of the ASACUSA antihydrogen source, and a quadrupole mass spectrometer instead of an annihilation detector. A hyperfine spectroscopy apparatus (consisting of a cavity tuned to measure one of the two possible transitions, the σ-transition, and a superconducting sextupole magnet) has already been commissioned and is currently in operation at the ASACUSA antihydrogen hyperfine structure experiment at CERN. In this work a second cavity is prepared, which enables simultaneous measurement of the two possible transitions, the σ - and TT transition. For operation with hydrogen the superconducting sextupole magnet is replaced by permanent sextupole magnets, which are built and characterized in the course of this work. The velocity and state selection properties of a sextupole doublet are simulated and measured. Numerical simulations of trajectories of hydrogen atoms in the spectroscopy apparatus are performed to obtain a quantitative understanding of the beam transport. These simulations lead to a new beam optics, based on ring apertures, which is implemented and tested. Finally, the σ and TT hyperfine transitions of ground state hydrogen are measured with the spectroscopy apparatus in earth's magnetic field.