SPECTROSCOPY APPARATUS FOR THE MEASUREMENT OF THE HYPERFINE - PowerPoint PPT Presentation

Chloé Malbrunot 1,2 
 
 On behalf of the ASACUSA Collaboration FLAIR Collaboration Workshop May 16 th 2014 SPECTROSCOPY APPARATUS FOR THE MEASUREMENT OF THE HYPERFINE STRUCTURE OF ANTIHYDROGEN AT CERN 1 CERN, Geneva, SWITZERLAND 
 2 Stefan Meyer Institute for Subatomic Physics, Vienna, AUSTRIA

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot MOTIVATIONS 2 No ¡observa*on ¡of ¡an*ma.er ¡universe: ¡ asymmetry ¡at ¡the ¡cosmological ¡scale ¡ CPT ¡Theorem No ¡viola*on ¡of ¡CPT ¡observed ¡to ¡date: ¡ High ¡absolute ¡precision ¡(poten*al ¡high ¡ symmetry ¡at ¡the ¡microscopic ¡scale sensi*vity: ¡Standard ¡Model ¡Extension) Mass [eV] -15 -12 -9 -6 -3 3 6 9 12 10 10 10 10 10 1 10 10 10 10 - + e -e Leptons n- n Baryons p- p 0 0 Mesons K - K H- H ν 1s-2s Atoms H- H ν HFS -9 -6 -3 3 6 9 15 12 10 10 10 1 10 10 10 10 10 Energy [GHz]

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot DiSciacca et al, Phys. Rev. Lett. 110, 13 (2013) GROUND STATE HYPERFINE SPLITTING Polarizability of p(bar) < 4ppm Finite electric and magnetic radius ( Zemach corrections ): ~41ppm e.g Friar et al. Phys.Lett. B579 (2004) has been measured to 5ppm Leading term: Fermi contact term access to the electric and magnetic form factors of the antiproton 3 ν F = 1 . 420 405 751 766(9)GHz ν F = 16 M p ) 3 m e µ p α 2 cR y 3 ( M p + m e M p µ N

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot Spectroscopy with trapped antihydrogen: lower precision due to strong confining field 
 Good candidate: atomic beam with RF resonance 
 MEASUREMENT PRINCIPLE 4 1) no H ̅ trapping needed → no need for ultra-cold (< 1 K) H ̅
 2) atomic beam method can work up to 50-100 K 
 3) H ̅ atoms can be guided with inhomogeneous magnetic field 2.0 Low } 1.5 Field (F, M) = (1, 1) Seekers 1.0 Frequency (GHz) (F, M) = (1, 0) 0.5 0.0 ν HFS = 1.42 GHz -0.5 -1.0 (F, M) = (1, -1) High } Field -1.5 Seekers -2.0 (F, M) = (0, 0) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Magnetic Field (T)

ÖPG/SPS 2013, Linz, September 2013 Chloé Malbrunot CERN’S ANTIPROTON DECELERATOR 5 3.E7 antiprotons E=5.3MeV E=10-120keV P~3.6GeV/c ~60m

ÖPG/SPS 2013, Linz, September 2013 Chloé Malbrunot CERN’S ANTIPROTON DECELERATOR 5 3.E7 antiprotons E=5.3MeV E=10-120keV P~3.6GeV/c ~60m

ÖPG/SPS 2013, Linz, September 2013 Chloé Malbrunot 6 e + ANTIHYDROGEN PRODUCTION e + T e+ source R A P B = 0 1.85x10 9 /s . 3 T H ̄ p ̄ p ̄ TRAP CUSP TRAP B=2.7T B=2.5T

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 
 SIMULATION Pipeline between these simulations and Geant4 Formation of antihydrogen simulated CTMC Behaviour of antiproton and positron plasmas simulated using SIMBUCA 7 3 ) Interaction time with the microwave field in the cavity 2 ) Cascading time: lower n state 
 ANTIHYDROGEN PROPERTIES 
 1 ) Polarisation intensity 
 
 
 BUT cold antihydrogen is better for: 
 experiments). Ultra-low temperature antihydrogen are not necessary for a beam experiments (unlike trap WITH GEANT 4 �

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 8 THE SPECTROMETER LINE 120mm 90mm cusp ¡trap cavity ¡with ¡ sextupole Helmholtz ¡ coils ¡ and ¡ ¡ an*hydrogen ¡ shielding ¡ detector 4.4 ¡m

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot beam stopper: stop particles 
 coming from the center of the CUSP cavity length 10 cm MW frequency: 1.42GHz 
 
 Q~100 THE MICROWAVE CAVITY Helmholtz coils 0-10G static field 
 high stability power supply 
 Field Stability <0.025% @ 4G (<1mG) 
 shielding

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 10 simulation done at 2G, T=50K THE MICROWAVE CAVITY precise static field characterization ∆ B = 1% B σ 0.16 0.14 counts (arb.u.) 0.12 0.10 0.08 1420.40 1420.42 1420.44 MW frequency (MHz) 2.0 Low } ∆ B 1.5 Field = 0 . 1% (F, M) = (1, 1) Seekers B 1.0 𝛒 1 Frequency (GHz) (F, M) = (1, 0) 0.5 𝛒 1 σ 0.16 0.0 0.14 ν HFS = 1.42 GHz counts (arb.u.) -0.5 0.12 -1.0 (F, M) = (1, -1) High } 0.10 Field -1.5 Seekers 0.08 -2.0 (F, M) = (0, 0) 1423.18 1423.20 1423.22 1423.24 MW frequency (MHz) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Magnetic Field (T)

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot DETECTOR IMPROVEMENTS Assuming 2012 experimental conditions, S/N ratio of ~10 cosmics simulated with CRY 1.7 in G4 SIMULATION: 2 layers of hodoscope Read out on both side 1 layer of hodoscope. annihilation ~50% detection efficiency addition of a 2nd layer of hodoscope (vertex reconstruction) annihilation products) and tracking detector Detector : events in the detector (2012) online display of a cosmic 11 � combination of calorimeter (distinction between H ̅ and H ̅ � � � simulation of an H ̅

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot SiPM channel timing cut Further S/N enhancement using SILICON PM DEVELOPMENTS scintillator response ~600ps FWHM Timing resolution including transmission differential digital and analogue signal computer controlled trigger threshold for each each channel self triggering (e.g for calibration) computer controlled gain out electronics Faster read-out, improvement of the SiPM read- Read-out: 12 8 7 6 5 4 3 2 1 F F � E E D D C C B B Datum Name Gezeichnet 08.05.2014 Doris A Kontrolliert A Norm 1 11024-Setup A2 Status Änderungen Datum Name 8 7 6 5 4 3 2 1 Under development at SMI �

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot SIMULATION 13 
 Sextupole CUSP ¡trap ¡ Cavity detector low ¡field ¡ ¡ high ¡field ¡ ¡ inclusion ¡of ¡ seekers seekers magne(c ¡and ¡ electric ¡fields G4 ¡studies: ¡ ¡simula(on ¡of ¡H- ¡trajectories ¡in ¡field ¡(tracking ¡ neutral ¡par(cle) ¡ ¡inclusion ¡of ¡radia(ve ¡decay ¡ ¡background ¡simula(on ¡ ¡ ¡cosmics ¡ ¡es(ma(on ¡of ¡transi(on ¡probabili(es ¡in ¡cavity ¡ ¡effect ¡of ¡inhomogenei(es ¡of ¡sta(c ¡field ¡ ¡benchmarking ¡of ¡physics ¡lists ¡

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 14 TEST SETUP WITH HYDROGEN BEAM (LS1) polarized ¡beam Induce ¡spin-­‑flip Select ¡state Analyze ¡state Source Cavity Sextupole Detector H> ¡beam H ¡beam Beam ¡rate ¡at ¡producAon ¡(4 𝝆 ) small ¡(≈10 high ¡(≈10 Quantum ¡state broad ¡distribu(on GS detector ¡0.4 ¡to ¡0.6 ¡ detector ¡(≈10 DetecAon ¡efficiency solide ¡angle ¡(≈10 solide ¡angle ¡(≈10 ioniza(on ¡and ¡single ¡ion ¡ DetecAon ¡method Energy ¡deposit, ¡tracking coun(ng cosmics, ¡upstream ¡ residual ¡gas ¡ ¡ Background annihila(on background>>signal ¡(LIA)

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 15 TEST SETUP WITH HYDROGEN BEAM (LS1) atomic'H'source' Cryogenic) Fork4Chopper) Sextupole) Quadrup.)Mass)Spec.) ' (cold)head)) ) ) ) ON ' ! 'H'and'H 2' for)504100K) for)polarized) f)≈)178)Hz) )detects)mass=1)))H 1 + ) ) OFF' ! 'H 2 'only' beam) beam) 50%)duty)cycle) ))))))))))or))mass=2))H 2 + ) )

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 16 TEST SETUP WITH HYDROGEN BEAM (LS1)

FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot 17 LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM Polarized ¡beam: ¡ ¡ � focusing ¡effect ¡of ¡cold ¡atoms 
 Phase ¡can ¡be ¡compared ¡to ¡a ¡laser ¡beam ¡ ¡ Es(ma(on ¡of ¡the ¡temperature ¡of ¡the ¡beam ¡50-­‑100K ¡ large ¡Parameter ¡space warm ¡ ¡beam ¡ ¡component ¡ cold ¡ ¡beam ¡ ¡component ¡ increasing ¡sup. ¡cond. ¡sext. ¡current

18 FLAIR Collaboration Workshop , Heidelberg, May 2013=4 Chloé Malbrunot LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM Fit ¡parameter results 𝛕 ¡transi(on 
 resonance ¡ 𝛕 ¡[MHz] 0.0023 Earth ¡magne(c ¡field ¡component ¡ ∥ ¡ ¡ to ¡oscillatory ¡field ¡≈30 𝜈 T 𝝃 0 ¡ 1420.4063 Y err ¡( R 0.00013 A N I M I RelaAve ¡err ¡( L 9.3E-­‑08 E R P Central ¡frequency ¡shi\ ¡≈600Hz • small ¡broadening ¡(low ¡temperature) ¡ � • Rela(vely ¡large ¡signal ¡(high ¡polariza(on, ¡small ¡ temperature ¡distribu(on)