The ASACUSA antihydrogen detector : development and data analysis

Abstract

Die theoretische Beschreibung der Natur im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik enthält eine Vielzahl an Symmetrien. Die fundamentalste ist die kombinierte Symmetrie aus Ladungsumkehr-, Paritäts- und Zeitumkehrsymmetrie (CPT Symmetrie). Nach allen verfügbaren experimentellen Befunden wurde bisher keine Verletzung dieser Symmetrie gefunden. Die ASACUSA Kollaboration am "Antiproton Deceleator" der Europäische Organisation für Kernforschung, CERN, versucht Übergänge in der Hyperfeinstruktur im Grundzustand von Antiwasserstoff zu messen. Antiwasserstoff ist das leichteste Element das vollständig aus Antimaterie besteht. Durch den Vergleich der Übergangsfrequenzen mit seinem Materie-Äquivalent, Wasserstoff, erlaubt diese Messung ein direktes Testen der CPT Symmetrie. Im Rahmen dieser Dissertationsschrift wurde ein Detektorsystem entwickelt, um die Annihilation der Antiatome am Ende des experimentellen Aufbaus nachzuweisen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der vollständige Aufbau des Detektors, inklusive der Datenerfassung und Steuerung beschrieben. Besonders Augenmerk wird auf die Elektronik des Systems, die Funktionsweise der Datenaufnahme und die Struktur der gemessenen Daten gelegt. Mit dem Detektorsystem aufgezeichnete Daten wurden mittels bayesianischer Methoden analysiert. Es wird sowohl die Identifikation der Annihilationen und ihre Unterscheidung von Untergrundereignissen, als auch die tatsächliche statistische Analyse im Detail erläutert. Abschließend wird, aufbauend auf die statistische Analyse, die Signifikanz der erhobenen Daten und der Nachweis von Antiwasserstoff-Annihilationen im Detektor präsentiert.

The theoretical description of nature, within the standard model framework of particle physics, gives rise to a manifold of different symmetries. The most fundamental one is the combined symmetry of charge conjugation, parity transformation, and time reversal (CPT symmetry). Currently all experimental evidence opposes the idea of a broken CPT symmetry. The ASACUSA collaboration, at the "Antiproton Decelerator", at the European Organisation for Nuclear Research (CERN), tries to measure the ground state hyperfine splitting of antihydrogen. By comparing this splitting with the similar signal in ordinary hydrogen, the CPT symmetry can be directly tested. During the course of this thesis, a detector system for detecting annihilations from antihydrogen at the end of the experimental setup was developed. In this work the construction of the detector will be described in detail, including control and data acquisition of the setup. A special focus will be on the electronic components, the inner working of the data acquisition, and the structure of the measured data. The recorded data was analysed using Bayesian methods. Both, the identification of annihilation events and their consequent distinction from background signals, and the statistical analysis of the data are covered in detail. Finally, based on the statistical analysis, the data significance is presented.