Determination of the hydrogen ground-state hyperfine splitting in a beam and perspectives for antihydrogen

Abstract

DerVergleichvonTeilchenundAntiteilchenSystemenumdieCPT Symmetriezu testen ist heutzutage von intrinsischer Interesse für die Teilchenphysik. Ein interessantes System ist der Vergleich der Grundzustands-Hyperfeinstruktur von Wasserstoff mit Antiwasserstoff bei der Abwesenheit eines Magnetfeldes. Die ASACUSA Kollaboration strebt danachdiesenCPT TestmiteinemRabiSpektrometerAufbaudurchzuführen. Diese Arbeit beschreibt den Spektrometer Aufbau, welche bei den Antiwasserstoff Experimenten verwendet werden wird. Die einzelnen Komponenten wurden getestet und der gesamte Aufbau wurde mit atomaren Wasserstoff charakterisiert. Die wichtigsten Teile dieses Experiments waren eine atomare Wasserstoffquelle, ein kryogenisches Arrangement um den Strahl zu kühlen, ein Strahl-Modulator, zwei polarisierende Sextupolmagnete, eine Mikrowellenkavität, welche die Spinzustände invertiert, einen supraleitenden Sextupolmagneten als Analysemagnet und ein Massenspektrometer. Ein zweiter sehr wichtiger Teil dieser Arbeit bestand darin die -1-Übergänge, welche eine der für diese Kavität möglichen messbaren Übergänge sind, zu analysieren. Wie gezeigt werden wird war es uns möglich mit dieser Strahllinie den besten Wert für die Hyperfeinaufspaltung von atomaren Wasserstoff in einem Rabi-Experiment zu messen. Der gewonnene Wert für eine Frequenz -0 ist 1 420 405 748.9 ± 3.3stat ± 2.5sys Hz. Die Frequenz ist in Übereinstimmung mit dem Wert von Masermessungen und ist mehr als eine Größenordnung besser als vorhergehende Rabi-Experimente aus den 1950ern. Dieses Resultat zeigt, dass mit Antiwasserstoff eine ähnliche Genauigkeit erreicht werden kann, vorausgesetzt, dass ein Strahl mit vergleichbaren Eigenschaften bereit steht.

Today comparisons of matter and antimatter systems to perform CPT tests are of intrinsic interest to the particle physics community. One interesting system is the comparison of the ground state hyperfine structure of hydrogen and antihydrogen at zero magnetic field. The ASACUSA collaboration aims to perform this CPT test with a Rabi-type spectrometer beam line. This work describes the spectrometer beam line which will be used for the antihydrogen experiments. The individual components were tested and the whole setup was characterised with atomic hydrogen. The most important sections in these experiments were an atomic hydrogen source, a cryogenic arrangement for beam cooling, a beam modulating chopper system, two polarising sextupole magnets to select a quantum state doublet, a microwave cavity to drive spin flips, a superconducting sextupole magnet as analysing magnet and a mass spectrometer as detector. A second essential part in this work was the analysis of the -1-transitions, one of the possible transitions that can be measured with our spin flip cavity. As will be shown we were able to measure and evaluate the best value ever for the hyperfine structure of atomic hydrogen in a Rabi like experiment with this beam line. The obtained quantity has a frequency of -0 = 1 420 405 748.9 ± 3.3 stat ± 2.5sys Hz. This value is in agreement with the value of maser measurements and is more than one order of magnitude better than previous Rabi experiments performed in the 1950s. This result shows that similar accuracies could be achieved with antihydrogen provided a beam with similar properties becomes available.