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Upgrade of the experimental apparatus "VIP2" to test the Violation of the Pauli Exclusion Principle

Alen Lika

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Johann Zmeskal

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DOI

10.25365/thesis.56065

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-22750.02845.128562-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das Pauli-Prinzip (Pauli-Verbot) ist ein Grundprinzip in der Physik, welches das Verhalten fermionischer Teilchen regelt. Aufgrund seiner Bedeutung muss es so genau wie möglich getestet werden. In einem bahnbrechenden Experiment versorgten Ramberg und Snow ein Cu-Target mit einem elektrischen Strom und suchten nach Pauli-Verbot verletzenden Atomübergängen "frischer" Elektronen aus dem Strom durch das Cu-Target. Da diese Übergänge nur bei eingeschaltetem Strom zu erwarten sind, kann mit der Differenz zwischen den Spektren mit und ohne Strom eine Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit der Verletzung des Pauli-Verbots gesetzt werden. Insbesondere suchte man nach Verbotenen K-alpha Übergängen, die eine etwas niedrigere Übergangsenergie als die normalen Übergänge haben. Photonen aus diesen Übergängen können daher durch ihre Energie unterschieden werden. Das VIP2 Experiment (Verletzung des Pauli-Verbots) könnte diese Obergrenze mit der beschriebenen Methode auf 1.87 mal 10 hoch -29 setzen. Das VIP2-Upgrade-Experiment will dieses Limit durch ein Upgrade wichtiger Komponenten des Setups noch weiter verbessern. Das Upgrade konzentrierte sich auf die Verbesserung des Kühlsystems, des Slow Control Systems sowie der aktiven Abschirmung. Die ursprüngliche Idee zur Verbesserung des Kühlsystems bestand in einem dreistufigen Peltier-Kühlgerät, um die neuen Silizium-Drift-Detektoren (SDDs) auf eine Temperatur von mindestens -40 Grad Celsius oder weniger zu kühlen. Nach ersten Tests entschieden wir uns für den PolyCold Compact Cooler (CryoTiger) von Brooks Automation, der mehr als genug (-80 Grad Celsius) Kühlleistung (auch bei der Wärmelast der SDDs) erreichte. Ein Slow Control System wurde mit LabVIEW entwickelt um alle Temperatursensoren (PT-100) und den Vakuumdruck im VIP2-Upgrade-Versuchsaufbau zu überwachen. Zusätzlich wurde das aktive Abschirmsystem, das im Vorgänger-Experiment VIP2 drei Jahre lang eingesetzt wurde, getestet und die Ergebnisse zeigten, dass fast ein Drittel der eingesetzten Silizium-Photomultiplier (SiPMs) defekt waren und entweder repariert oder ersetzt werden müssen. Daher haben wir beschlossen, stattdessen ein passives Abschirmsystem zu verwenden, während die aktive Abschirmung repariert oder aufgerüstet wird. Nach ausführlichen Tests mit dem VIP-Upgrade-Versuchsaufbau, der viele Vakuumtests beinhaltete, wurde es in das unterirdische Labor von Gran Sasso (LNGS) transportiert. Das Setup wurde erfolgreich installiert und die ersten Messungen wurden gestartet. Die Apparatur sammelt derzeit Daten, auf die wir über eine Netzwerkverbindung vom Stefan Meyer Institut (SMI) zum VIP2-Labor bei LNGS zugreifen können.

Abstract

(Englisch)

The Pauli Exclusion Principle (PEP) is a fundamental principle in physics, governing the behavior of fermionic particles. Due to its importance, it needs to be tested as precisely as possible. In a pioneering experiment, Ramberg and Snow supplied an electric current to a Cu-target and searched for PEP violating atomic transitions of "fresh" electrons from the current. As these transitions are only expected when the current is on, the difference between the spectra with and without current can be used to set an upper limit for the probability for the violation of the PEP. Specifically, the experiment searched for forbidden K-alpha transitions, which have a slightly lower transition energy than the normal transitions. Photons from these transitions can therefore be distinguished by their energy. The VIP2 (Violation of the Pauli Exclusion Principle) experiment could set this upper limit to 1.87 times 10 to the power of -29 with the described method. The VIP2-Upgrade experiment wants to improve this limit by upgrading crucial components of the setup. The upgrade focused on improving the overall cooling system, slow control system and active shielding. The original idea for upgrading the cooling system involved a three step peltier cooling device to cool the new Silicon Drift Detectors (SDDs) to a temperature of at least -40 degrees celsius or lower, which proved not to be able to deliver the required cooling capacity needed for the SDDs. Instead we decided to use the Polycold Compact Cooler (CryoTiger), manufactured by Brooks Automation, which gave us more than enough (-80 degrees celsius) cooling capacity (even with the heat load of the SDDs) for our required purposes. A Slow Control system using LabVIEW was built for monitoring the vacuum pressure as well as all temperature sensors (PT-100) installed within the VIP2-Upgrade experimental setup. Additionally, the active shielding, which was used for three years during the predecessor experiment VIP2, was tested and the results showed that almost a third of the Silicon Photomultipliers (SiPMs) used were ineffective and needed to be either repaired or replaced. Therefore, we decided to use passive shielding instead, while the active shielding will be repaired or upgraded. After exhaustive testing with the VIP2-Upgrade experimental setup, which included a lot of vacuum testing, it was transported to the underground laboratory of Gran Sasso (LNGS). The setup was successfully installed and the first measurements were started. The setup is currently collecting data, which we can access using a remote control system connection from the Stefan Meyer Institute (SMI) to the VIP2 laboratory at LNGS.

Autor*innen

Alen Lika

Haupttitel (Englisch)

Upgrade of the experimental apparatus "VIP2" to test the Violation of the Pauli Exclusion Principle

Paralleltitel (Deutsch)

Upgrade des Versuchsapparates "VIP2" zum Testen der Verletzung des Pauli-Ausschlussprinzips

Publikationsjahr

2019

Umfangsangabe

43, x Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Johann Zmeskal

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.56 Elementarteilchenphysik ,

33 Physik > 33.99 Physik: Sonstiges

AC Nummer

AC15511491

Utheses ID

49525

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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