Title (eng)
Simulations of antihydrogen radiative decay in ASACUSA
Parallel title (deu)
Simulationen von Antiwasserstoff Strahlunszerfall in ASACUSA
Author
Stefan Vamosi
Advisor
Eberhard Widmann
Assessor
Eberhard Widmann
Abstract (deu)
Die CPT Symmetrie, welche eine der fundamentalsten Symmetrien der Physik darstellt, konnte allen bisherigen Versuchen von Falsifizierung Stand halten. Dennoch existieren Erweiterungen des Standard Modells der Teilchenphysik, wie die String Theorie oder die Quantengravitation, die nicht notwendigerweise CPT erhaltend sind. Daher ist die Suche nach CPT Verletzungen bei niedrigen Energien möglicherweise eine gute Methode um Erkenntnisse jenseits des Standard Modells zu erlangen. Ein Anzeichen für eine solche CPT Verletzung wäre ein Unterschied zwischen der Hyperfeinstruktur von Wasserstoff und Antiwasserstoff. Die ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) Kollaboration realisierte ein Rabi ähnliches Hyperfeinstruktur Spektroskopie Experiment zu diesem Zwecke. Hierbei werden Positronen mit Antiprotonen in einer verschachtelten Penning-Falle innerhalb einer speziellen magnetischen Feldkonfiguration, einer sogenannten double CUSP Falle, zusammengeführt um Bindungszustände herzustellen, bevor sie in das Strahlrohr entlassen werden. Die Quantenzustände dieser Antiwasserstoffatome können nicht direkt gemessen werden, jedoch ist es durch die 3-Körper Wechselwirkung durch welche sie gebildet werden, sehr wahrscheinlich, angeregte Rydberg Zustände zu erhalten. Da die Hyperfeinstruktur Messung nur mit Grundzustandsatomen durchgeführt werden kann, ist es wichtig, auf die Antiwasserstoffzerfallsraten innerhalb der Spektroskopieapparatur des ASACUSA Experiments zurück greifen zu können. Diese Arbeit enthält verschiedene Monte-Carlo Simulationen der Antiwasserstoff Ausbreitung durch das ASACUSA Strahlrohr, welche die Quantenzustände, die Position und die Geschwindigkeit der Atome verfolgt. Acht Milliarden Antiwasserstoffatome wurden aus diesem Grund auf einem Cluster simuliert. Sie stellen die ersten Simulationen mit der aktuellen Apparatur, der doppelten CUSP Falle, und einer realistischen Zustandsverteilung dar. Das Magnetfeld, welches entscheidenden Einfluss auf die Trajektorie und die Zerfallsraten hat, ist in der Simulation berücksichtigt. In den Ergebnissen werden besonders der Einfluss des Anfangsquantenzustandes und des Magnetfeldes des Sextupole Magneten, welches für die Eigendrehimpuls Selektion für den Rabi ähnlichen Aufbau benötig wird, untersucht. Verschiedene Anfangsgeschwindigkeiten werden miteinander verglichen, und Charakteristika wie das Signal- Rauschverhältnis, oder die Signalintensität, untersucht. Weiters wird die Einbindung der zusätzlichen Information des elektrischen Feldes, präsentiert. Die Implementation des Einflusses des elektrischen Feldes auf die Zerfallsraten der Rydberg Zustände, wurde fertig gestellt, und das Prinzip getestet.
Abstract (eng)
CPT symmetry, which is one of the most fundamental symmetries in physics, has so far resisted all attempts at falsification. Nevertheless, common extensions of the Standard Model, like string theory and quantum gravity, do not necessarily conserve CPT symmetry. Thus, searching for CPT violations at low energies may be a good method to discover physics beyond the Standard Model. A sign of this phenomena would be a deviation between the hyperfine structure of hydrogen and anti-hydrogen. The ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) collaboration realised a Rabi-like hyperfine spectroscopy experiment for this reason. There, positrons and anti-protons are mixed together in a nested Penning trap inside a special magnetic field configuration, a so-called double CUSP trap, to form bound states, before they are released into the beam-line apparatus. The quantum states of these anti-hydrogen atoms cannot be measured easily, however the 3-body recombination process, through which they are formed, is likely to produce excited Rydberg states, upon creation. As the hyperfine measurement can only be performed with ground state antihydrogen, it is important to be able to assess the antihydrogen atoms decay rate in the specific spectrometer apparatus of the ASACUSA experiment. This work contains various Monte-Carlo simulations of antihydrogen propagation through the ASACUSA beam-line, which traces the quantum states, the position and the velocity of the atoms. Eight billion antihydrogen atoms were simulated for this reason on a cluster. These are the first simulations that considered the current beam line setup, the double CUSP trap and an accurate initial n-state distribution. The magnetic field, which has an impact on the trajectory and the decay rates, is contained in the simulation. In the results, the influence of the initial principal quantum number and the sextupole magnetic field, used for spin analysis in the Rabi-type set up, are discussed in particular. Different initial velocities are compared with each other, and characteristics such as the signal to noise ratio, or the signal intensity, are specified. Furthermore, the feasibility of additionally using the electric field information is presented. The implementation of the influence of the electric field on the decay rates of Rydberg states, have been completed and tested in principle.
Keywords (eng)
antihydrogenantimatterradiative decayatomic simulationhyperfine structureASACUSA
Keywords (deu)
AntiwasserstoffAntimaterieStrahlungszerfall /AtomsimulationHyperfein StrukturASACUSA
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1326612
rdau:P60550 (deu)
VI, 89 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
99
Study plan
Masterstudium Physik
[UA]
[066]
[876]
Association (deu)
Title (eng)
Simulations of antihydrogen radiative decay in ASACUSA
Parallel title (deu)
Simulationen von Antiwasserstoff Strahlunszerfall in ASACUSA
Author
Stefan Vamosi
Abstract (deu)
Die CPT Symmetrie, welche eine der fundamentalsten Symmetrien der Physik darstellt, konnte allen bisherigen Versuchen von Falsifizierung Stand halten. Dennoch existieren Erweiterungen des Standard Modells der Teilchenphysik, wie die String Theorie oder die Quantengravitation, die nicht notwendigerweise CPT erhaltend sind. Daher ist die Suche nach CPT Verletzungen bei niedrigen Energien möglicherweise eine gute Methode um Erkenntnisse jenseits des Standard Modells zu erlangen. Ein Anzeichen für eine solche CPT Verletzung wäre ein Unterschied zwischen der Hyperfeinstruktur von Wasserstoff und Antiwasserstoff. Die ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) Kollaboration realisierte ein Rabi ähnliches Hyperfeinstruktur Spektroskopie Experiment zu diesem Zwecke. Hierbei werden Positronen mit Antiprotonen in einer verschachtelten Penning-Falle innerhalb einer speziellen magnetischen Feldkonfiguration, einer sogenannten double CUSP Falle, zusammengeführt um Bindungszustände herzustellen, bevor sie in das Strahlrohr entlassen werden. Die Quantenzustände dieser Antiwasserstoffatome können nicht direkt gemessen werden, jedoch ist es durch die 3-Körper Wechselwirkung durch welche sie gebildet werden, sehr wahrscheinlich, angeregte Rydberg Zustände zu erhalten. Da die Hyperfeinstruktur Messung nur mit Grundzustandsatomen durchgeführt werden kann, ist es wichtig, auf die Antiwasserstoffzerfallsraten innerhalb der Spektroskopieapparatur des ASACUSA Experiments zurück greifen zu können. Diese Arbeit enthält verschiedene Monte-Carlo Simulationen der Antiwasserstoff Ausbreitung durch das ASACUSA Strahlrohr, welche die Quantenzustände, die Position und die Geschwindigkeit der Atome verfolgt. Acht Milliarden Antiwasserstoffatome wurden aus diesem Grund auf einem Cluster simuliert. Sie stellen die ersten Simulationen mit der aktuellen Apparatur, der doppelten CUSP Falle, und einer realistischen Zustandsverteilung dar. Das Magnetfeld, welches entscheidenden Einfluss auf die Trajektorie und die Zerfallsraten hat, ist in der Simulation berücksichtigt. In den Ergebnissen werden besonders der Einfluss des Anfangsquantenzustandes und des Magnetfeldes des Sextupole Magneten, welches für die Eigendrehimpuls Selektion für den Rabi ähnlichen Aufbau benötig wird, untersucht. Verschiedene Anfangsgeschwindigkeiten werden miteinander verglichen, und Charakteristika wie das Signal- Rauschverhältnis, oder die Signalintensität, untersucht. Weiters wird die Einbindung der zusätzlichen Information des elektrischen Feldes, präsentiert. Die Implementation des Einflusses des elektrischen Feldes auf die Zerfallsraten der Rydberg Zustände, wurde fertig gestellt, und das Prinzip getestet.
Abstract (eng)
CPT symmetry, which is one of the most fundamental symmetries in physics, has so far resisted all attempts at falsification. Nevertheless, common extensions of the Standard Model, like string theory and quantum gravity, do not necessarily conserve CPT symmetry. Thus, searching for CPT violations at low energies may be a good method to discover physics beyond the Standard Model. A sign of this phenomena would be a deviation between the hyperfine structure of hydrogen and anti-hydrogen. The ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) collaboration realised a Rabi-like hyperfine spectroscopy experiment for this reason. There, positrons and anti-protons are mixed together in a nested Penning trap inside a special magnetic field configuration, a so-called double CUSP trap, to form bound states, before they are released into the beam-line apparatus. The quantum states of these anti-hydrogen atoms cannot be measured easily, however the 3-body recombination process, through which they are formed, is likely to produce excited Rydberg states, upon creation. As the hyperfine measurement can only be performed with ground state antihydrogen, it is important to be able to assess the antihydrogen atoms decay rate in the specific spectrometer apparatus of the ASACUSA experiment. This work contains various Monte-Carlo simulations of antihydrogen propagation through the ASACUSA beam-line, which traces the quantum states, the position and the velocity of the atoms. Eight billion antihydrogen atoms were simulated for this reason on a cluster. These are the first simulations that considered the current beam line setup, the double CUSP trap and an accurate initial n-state distribution. The magnetic field, which has an impact on the trajectory and the decay rates, is contained in the simulation. In the results, the influence of the initial principal quantum number and the sextupole magnetic field, used for spin analysis in the Rabi-type set up, are discussed in particular. Different initial velocities are compared with each other, and characteristics such as the signal to noise ratio, or the signal intensity, are specified. Furthermore, the feasibility of additionally using the electric field information is presented. The implementation of the influence of the electric field on the decay rates of Rydberg states, have been completed and tested in principle.
Keywords (eng)
antihydrogenantimatterradiative decayatomic simulationhyperfine structureASACUSA
Keywords (deu)
AntiwasserstoffAntimaterieStrahlungszerfall /AtomsimulationHyperfein StrukturASACUSA
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1326613
Number of pages
99
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