The development and implementation of a fibre detector and advanced data acquisition for the ASACUSA antihydrogen detector

Abstract

Die moderne theoretische Teilchenphysik arbeitet vor allem im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik. Dieses theoretische Rahmenwerk ist schon in einer Vielzahl von Experimenten bestätigt worden, wie zum Beispiel mit der Entdeckung des Higgsteilchens im Jahr 2013. Ein zentraler Punkt im Standardmodell ist, dass es sich stark auf Symmetrien stützt. Speziell die CPT -Symmetrie (gleichzeitige Ladungsumkehr, Paritätstransformation und Zeitumkehr) darf in diesem Modell nicht gebrochen sein. Die Untersuchung dieser Symmetrie bietet einen Zugang zu entweder weiterer Verifikation des Standardmodells, oder zu Physik abseits des Standardmodells. Am Antiproton Decelerator (AD) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) versucht die ASACUSA Kollaboration die Differenz zwischen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des herkömmlichen Wasserstoffs und seines Antimateriegegenstücks, des Antiwasserstoffs, zu messen. Eine solche Messung bietet einen direkten Test der CPT-Symmetrie. Dafür nutzt ASACUSA ein Spektroskopiesystem nach der Rabi-Methode, das aus einer polarisierten Antiwasserstoffquelle, einer Mikrowellenkavität, einem analysierenden Sextupolmagneten sowie einem Detektor besteht. Dieser Detektor ist der Hauptfokus dieser Arbeit. Bisher war der Detektor dazu im Stande, den Ort der Annihilation auf dem zentralen Target, die Energiedeposition, sowie die Winkel der bei der Annihilation entstehenden Pionen, bzw. deren Spuren in einer Ebene normal zur Strahlrichtung aufzunehmen. Das Hauptproblem der Analyse der Daten ist die Unterscheidung von tatsächlichen Antiwasserstoffereignissen, kosmischen Strahlen und Signalen von Annihilationen abseits des Targets, die von über- und unterfokussierten Antiwasserstoff und Antiprotonen stammen. Durch die hohe Anzahl von Hintergrundereignissen und der unzureichenden Positionsauflösung sind die vorhandenen Informationen oft nicht ausreichend um eine klare Trennung festzulegen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine zusaetzliche Komponente für das Detektorsystem entwickelt und implementiert, die es ermöglicht, genaue Positionsinformationen in der Strahlrichtung zu erhalten, um uneigentliche Ereignisse zuverlässiger auszuschließen. Ein Schwerpunkt sind die konstrutiven Details des neuen Detektors, ein weiterer sind die Systeme zur Datenaufnahme und Detektorkontrolle, die beide modifiziert und teilweise neu geschrieben wurden. Weiters werden der Designprozess und Testdaten präsentiert.

Modern theoretical particle physics mostly operates within the so called standard model of particle physics. This framework has been verified by a number of experiments, for instance the discovery of the Higgs boson in 2013. A central point of the standard model is its reliance on symmetries. Especially the CPT symmetry (simultaneous charge conjugation, parity transformation and time reversal) has to be unbroken within this model. The investigation of this symmetry provides an approach to either further verification of the the standard model, or shines a light on physics beyond the standard model. At the Antiproton Decelerator (AD) of the European Organisation for Nuclear Research (CERN) the ASACUSA collaboration intends to measure the difference between the hyperfine splitting of hydrogen and that of its antimatter counterpart, antihydrogen. Such a measurement provides a direct test of the CPT symmetry. To accomplish this, ASACUSA uses a Rabi-type spectroscopy setup, consisting of a polarised antihydrogen source, a microwave cavity, an analysing sextupole magnet, as well as a detector. This detector is the main focus of this thesis. So far the detector was able to record the position of the annihilation on the central target, the energy deposition and the angles of the pions produced in the annihilation, or rather their tracks in a plane perpendicular to the beam direction. The main problem in the data analysis is the differentiation of actual antihydrogen events, cosimc rays, and signals of annihilations besides the target, caused by over- or underfocused antihydrogen and antiprotons. Due to the high amount of background events and the inadequate position distribution, especially in beam direction, a clear distinction is often not possible. In this thesis, an additional component for the detector system that enables precise spatial resolution in the beam direction was developed and implemented, so that false events can definitely be discriminated. One focus of this work will be the constructional details of the new detector, another one the data acquisition and slow control systems, which have been modified and partially rewritten. Also presented are the design process as well as some test data.