Development of a cryogenic caesium iodide detector for gravitational measurements on antihydrogen

Abstract

Die AEgIS Kollaboration am CERN beabsichtigt die erste direkte Messung der Erdbeschleunigung von Antimaterie durchführen. Dies wird ermöglicht, indem man einen Antiwasserstoffstrahl durch ein klassisches Moiré Deflektometer sendet. Das Hauptziel ist es, das schwache Äquivalenzprinzip für Antimaterie zu überprüfen. Diese Arbeit wird einen Detektor für diese erste Messung der Gravitationseffekte an einem Antimateriesystem vorstellen. Der Detektor besteht aus reinen Cäsiumiodidkristallen (CsI) und kommerziell erhältlichen Silizium-Photomultiplier (SiPM) um die produzierten Teilchen aus den dazugehörigen Annihilationsprozessen zu messen. Die Zerfallszeiten und Spektren des CsI wurden mit Hilfe einer radioaktiven {22} Na-Quelle bei Raum- und tiefen Temperaturen charakterisiert. Des Weiteren wurde das Verhalten der SiPMs bei tiefen Temperaturen untersucht. Als beste Verbingung bei tiefen Temperaturen zwischen dem Szintillator und einem SiPM wurde optischer Kleber ausgemacht. Das finale zusammengefügte System aus CsI und SiPM wurde in einer Messung mit Antiprotonen der GRACE Line am CERN getestet.

The AEgIS Collaboration at CERN intends to perform the world’s first direct measurement of the Earth´s gravitational acceleration on antimatter, by sending an antihydrogen beam through a classical Moiré deflectometer. The main goal is to test the principle of the universality of free fall (Weak Equivalence Principle WEP) for antimatter, which has never been done before. This work presents a potential detector for a first measurement of the gravitational effects on an antimatter system. The detector consists of pure Caesium Iodide crystals (CsI) and commercially available Silicon Photomultipliers (SiPM) to measure the particles produced in the corresponding annihilation processes. The CsI crystals decay times and spectra were characterized using a radioactive {22} Na source at room and at low temperatures. Furthermore the behaviour of the SiPMs at low temperatures was examined. The best connection at low temperatures between the scintillator and a SiPM was found in optical glue. The final combined system of CsI and SiPM was tested in a measurement at the GRACE Line at CERN using a beam of antiprotons.