From the efficient trapping and accumulation of cooled antiprotons towards the formation of a pulsed beam of antihydrogen atoms

Abstract

Die hier präsentierte Arbeit umfasst eine Anzahl maßgeblicher Beiträge zur Entwicklung eines gepulsten Strahls von Antiwasserstoff-Atomen im AEgIS Experiment in der Antiproton Decelerator-Anlage am CERN. Das Hauptziel von AEgIS ist eine präzise Messung der Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie, um das Schwache Equivalenzprinzip zu prüfen und Einblicke in mögliche Erklärungen für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie unseres Universums zu erhalten. Zu diesem Zweck werden Antiwasserstoff-Atome in gepulster Form durch eine Ladungsaustausch-Reaktion zwischen kalten, gefangenen Antiprotonen und Laser-angeregten Positronium-Atomen hergestellt. Die Anti-Atome sollen zu einem horizontalen Strahl geformt werden, der ein Deflektometer durchquert, um eine Ermittlung ihrer vertikalen Ablenkung aufgrund der Gravitation zu ermöglichen. Die Grundlage dieser Arbeit bildet die Ausarbeitung und Einführung eines Kontrollsystems, CIRCUS, das seit 2021 zuverlässig alle AEgIS Experimente steuert. CIRCUS ermöglicht einen autonomen Betrieb und beinhaltet als ein Kernstück die AERIALIST Schnell-Kontroll-Einheit, die experimentelle Prozesse mit Nanosekunden-Genauigkeit synchronisiert. Es ist fundamental für alle kürzlichen Errungenschaften von AEgIS, wobei herausragend die erste erfolgreiche Laser-Kühlung von Positronium zu nennen ist. Diese Arbeit schließt außerdem die Inbetriebnahme des neuen Elektronen-Systems von AEgIS ein, das ein essenzieller Bestandteil des Experiments ist, sowohl in der Vorbereitungsphase als auch für die Implementierung der Antiprotonen-Plasma-Routinen. Ein Hauptergebnis dieser Arbeit ist die beispiellose Akkumulation von mehreren hundert Millionen kalten Antiprotonen in einer elektromagnetischen Falle. Dies wird durch die Entwicklung von Routinen für das Einfangen von rekordbrechenden 70% der vom ELENA Entschleuniger am CERN verfügbaren Antiprotonen sowie für effiziente Elektronenkühlungs- und Plasma-Kompressionstechniken und für das Ansammeln von mehreren Antiprotonen-Paketen in der Falle ermöglicht. Da Antiprotonen ein Kernbestandteil der meisten gebundenen Antimaterie-Systeme sind, öffnet dieser Erfolg die Tür zu einer Vielfalt an Antimaterie-Forschung, einschließlich einer stark erhöhten Antiwasserstoff-Produktion in AEgIS und der Herstellung und Untersuchung von antiprotonischen Atomen. Die Formung der Antiwasserstoff-Atome zu einem horizontalen Strahl, entscheidend für die Gravitationsmessung, ist in dieser Arbeit durch die Beschleunigung der Antiprotonen in die Richtung des Positroniums mittels eines parabolischen Potentials umgesetzt, präzise synchronisiert mit der Positronium-Anregung. Die Funktionalität der Methode wurde erfolgreich durch eine ebenfalls im Zuge dieser Arbeit implementierte Analyse des Signals auf einem Szintillator/PMT Detektor verifiziert. Dieselbe Analyse stellt auch eine erste Untersuchung der Antiwasserstoff-Herstellung mit AEgIS Phase II dar, die auf die Transformation der Abläufe zu einer kollinearen Antiwasserstoff-Produktion und wesentliche Verbesserungen des Apparats folgt, von denen einige Teil dieser Arbeit sind. Während Evidenz eines Überschuss-Signals im relevanten Zeitfenster für solche Daten zu beobachten ist, in denen Antiwasserstoff-Herstellung erwartet wird, im Vergleich zu Kontroll-Daten ohne Positronium-Anregung, sind die erreichten Anzahlen zu gering um eindeutig signifikant zu sein. Diese Beeinträchtigung kann hauptsächlich auf die Leistungsschwäche der Positronium-Komponenten zurückgeführt werden, die aktuell verbessert werden. Dank der Gesamtheit der durchgeführten Upgrades, zu vielen von denen diese Arbeit beigetragen hat, wird eine im Vergleich zu vorherigen Durchführungen um mehrere Größenordnungen gesteigerte Effizienz der Antiwasserstoff-Herstellung erwartet. Mit der resultierenden Statistik und der darüber hinausgehenden Prozedur für die Strahl-Formung wird eine Bestimmung der Fallbeschleunigung von Antimaterie mit einer relativen Genauigkeit von 1% realistisch innerhalb einiger Monate der Antiprotonen-Strahlzeit erreichbar.

The work presented here comprises a number of significant contributions to the formation of a pulsed beam of antihydrogen atoms in the AEgIS experiment at CERN's Antiproton Decelerator facility. The main objective of AEgIS is a precise measurement of the gravitational acceleration of antimatter to probe the Weak Equivalence Principle and gain insight into possible explanations of our universe's matter-antimatter asymmetry. For this purpose, antihydrogen atoms are produced in a pulsed scheme through a charge exchange reaction of cold, trapped antiprotons and laser-excited positronium atoms. The anti-atoms are to be formed into a horizontal beam that passes through a deflectometer, enabling a determination of their vertical deflection due to the influence of gravity. At the foundation of this work lies the development and implementation of a control system, CIRCUS, that has reliably run all experiments in AEgIS since 2021. CIRCUS has the capability of autonomous operation and comprises a core formed by the AERIALIST fast control unit that synchronizes experimental processes with nanosecond precision. It has been fundamental to any recent achievements of AEgIS, most prominently the first-ever successful laser cooling of positronium. This work further includes the commissioning of the new electron system of AEgIS, which is a vital component of the experiment, both in the preparatory phase and for the implementation of the antiproton plasma routines. A main result achieved in this work is the unprecedented accumulation of several hundred million cold antiprotons in an electromagnetic trap. It has become feasible thanks to the development of routines for the capture of a record 70% of the antiprotons available from CERN's ELENA decelerator as well as efficient electron cooling and plasma compression techniques and the stacking of multiple antiproton bunches inside the trap. Antiprotons being a core component of most bound antimatter systems, this achievement opens the door to a variety of antimatter research, including a strongly increased antihydrogen production in AEgIS and the formation and study of antiprotonic atoms. The formation of the antihydrogen atoms into a horizontal beam, crucial to the gravity measurement, has been realized as part of this work through the forward-acceleration of the antiprotons towards the formed positronium via a parabolic potential, precisely synchronized to the positronium excitation. The functionality of the procedure has been successfully verified by an analysis of the observed signal on a scintillator/PMT detector, which has been implemented as part of this work as well. The same analysis also represents a first investigation of antihydrogen formation with AEgIS Phase II, following major upgrades to the apparatus, some of which are part of this work, and the transformation of the procedures to a collinear antihydrogen production. While evidence of an excess signal is observed in those runs expected to produce antihydrogen, compared to control runs without positronium excitation, in the relevant time window, the produced numbers are too low to be unambiguously significant. This impediment can be mainly attributed to the underperformance of the positronium line, which is currently being improved. Thanks to the collectivity of the performed upgrades, many of which this work has contributed to, an antihydrogen formation efficiency boosted by several orders of magnitude is expected with respect to previous production runs. With the corresponding statistics and the beam formation procedure furthermore well in place, a determination of the gravitational acceleration of antimatter with a relative precision of 1% has become realistically achievable within a few months of antiproton beam time.