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Hyperfine structure measurements of antiprotonic ³He using microwave spectroscopy
Susanne Friedreich
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Eberhard Widmann
DOI
10.25365/thesis.21476
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29311.35858.821155-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Zielsetzung dieses Projekts war die Messung der Hyperfeinstruktur von antiprotonischem 3He mittels Laser-Mikrowellen-Laser Spektroskopie. Antiprotonisches Helium ist ein neutrales, exotisches Atom, bestehend aus einem Heliumkern, einem Elektron und einem Antiproton. Die Wechselwirkungen der einzelnen Drehmomente erzeugen eine Hyperfeinaufspaltung (HFS) innerhalb der Energiezustände. Die 3% der gebildeten Atome antiprotonischen Heliums, die in einem metastabilen, durch Strahlung zerfallenden Zustand verbleiben, haben eine Lebensdauer von 1-3 Mikrosekunden. Das dadurch definierte Zeitfenster wird genützt, um mikrowellen-spektroskopische Messungen durchzuführen.
Die Hyperfeinstruktur von antiprotonischem 4He wurde bereits vollständig untersucht. Mit diesen Messungen kann man das magnetische Moment des Antiprotons bestimmen. Der Vergleich des magnetischen Moments für Proton und Antiproton gibt Aufschluss über eine mögliche CPT-Verletzung.
Die komplexere Struktur von antiprotonischem 3He ermöglicht eine Gegenprüfung dieser Ergebnisse sowie einen restriktiveren Test der theoretischen Berechnungen. Das Prinzip der Messung basiert darauf eine Laser-induzierte Asymmetrie zwischen den Besetzungsniveaus der HF Zustände zu erzeugen. Danach wird mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung ein Besetzungsübergang zwischen diesen Zuständen stimuliert und darauffolgend ein weiterer Laserpuls gesendet, um die erfolgte Besetzungsänderung zu messen.
Mehrere kryogenische Kavitäten wurden simuliert, gebaut und getestet. Ein wesentlicher Teil meiner Arbeit bestand darin Berechnungen und finite-element Simulationen dazu durchzuführen ebenso wie umfangreiche Tests, Diagnostik und Kalibrierung dieser Hochfrequenzstrukturen und des gesamten Mikrowellen-Aufbaus. Der Fokus meines Projekts war die Umsetzung der spektroskopischen und die anschliessende Datenanalyse sowie numerische Simulationen der Übergänge zwischen den Hyperfeinzuständen. Die gemessenen Werte für diese beiden Übergangsfrequenzen sind 11.125 48(08) GHz und 11.157 93(13) GHz.
Abstract
(Englisch)
The goal of this project was to measure the hyperfine structure of antiprotonic 3He using the technique of laser-microwave-laser spectroscopy. Antiprotonic helium is a neutral exotic atom, consisting of a helium nucleus, an electron and an antiproton. The interactions of the angular momenta of its constituents cause a hyperfine splitting (HFS) within the energy states of this new atom. The 3% of formed antiprotonic helium atoms remain in a metastable, radiative decay-dominated state with a lifetime of 1-3 microseconds. The hyperfine structure of antiprotonic 4He was already extensively investigated before and the spin magnetic moment of the antiproton was determined. A comparison of the result to the proton magnetic moment provides a test of CPT invariance. Due to its higher complexity the new exotic three-body system of is a cross-check for the measurements with antiprotonic 4He and a more stringent test of theory. The measurement principle is based on inducing a population asymmetry by laser-depopulation of one of two HF states. Subsequently, a microwave pulse stimulates population transfer between these substates, followed by a second laser pulse to measure the transferred population. Several cryogenic cavities were designed, built and tested. One major part of my work consisted of calculations and finite-element simulations as well as detailed preparation studies, diagnostics and calibration of the complete microwave apparatus. The main focus was on the execution of the and the related data analysis. The final results for the two measured transition frequencies are 11.125 48(08) GHz and 11.157 93(13) GHz.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
exotic atoms antiprotonic helium hyperfine structure quantumelectrodynamics precision measurement spectroscopy laser microwaves
Schlagwörter
(Deutsch)
exotische Atome antiprotonisches Helium Hyperfeinstruktur Quantenelektrodynamik Präzisionsmessung Spektroskopie Laser Mikrowellen
Autor*innen
Susanne Friedreich
Haupttitel (Englisch)
Hyperfine structure measurements of antiprotonic ³He using microwave spectroscopy
Paralleltitel (Deutsch)
Messungen der Hyperfeinstruktur von antiprotonischem ³He mittels Mikrowellenspektroskopie
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
IX, 161 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Klaus Jungmann ,
Heinz-Jürgen Kluge
AC Nummer
AC09606494
Utheses ID
19206
Studienkennzahl
UA | 091 | 411 | |