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 16th 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 ¡ No ¡viola*on ¡of ¡CPT ¡observed ¡to ¡date: ¡ symmetry ¡at ¡the ¡microscopic ¡scale CPT ¡Theorem High ¡absolute ¡precision ¡(poten*al ¡high ¡ sensi*vity: ¡Standard ¡Model ¡Extension)

Mass [eV]

• 15

10

• 12

10

• 9

10

• 6

10

• 3

10 1

3

10

6

10

9

10

12

10 Energy [GHz]

• 9

10

• 6

10

• 3

10 1

3

10

6

10

9

10

12

10

15

10

HFS

ν H H-

1s-2s

ν H H- K

• K

p p- n n-

+

• e
• e

Leptons Baryons Mesons Atoms

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GROUND STATE HYPERFINE SPLITTING

3

access to the electric and magnetic form factors of the antiproton Leading term: Fermi contact term has been measured to 5ppm

DiSciacca et al, Phys. Rev. Lett. 110, 13 (2013)

Finite electric and magnetic radius (Zemach corrections): ~41ppm

νF = 1.420 405 751 766(9)GHz

Polarizability of p(bar) < 4ppm

e.g Friar et al. Phys.Lett. B579 (2004)

νF = 16 3 ( Mp Mp + me )3 me Mp µp µN α2cRy

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Spectroscopy with trapped antihydrogen: lower precision due to strong confining field
 Good candidate: atomic beam with RF resonance
 1) no H̅ trapping needed → no need for ultra-cold (< 1 K) H̅
 2) atomic beam method can work up to 50-100 K
 3) H̅ atoms can be guided with inhomogeneous magnetic field

MEASUREMENT PRINCIPLE

4

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

• 2.0
• 1.5
• 1.0
• 0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 High Field Seekers

}

(F, M) = (0, 0) (F, M) = (1, -1) (F, M) = (1, 0)

Frequency (GHz) Magnetic Field (T)

(F, M) = (1, 1)

νHFS= 1.42 GHz

}

Low Field Seekers

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

ANTIHYDROGEN PRODUCTION

6

e+ source 1.85x109/s CUSP TRAP B=2.7T e + T R A P B = . 3 T p̄ TRAP B=2.5T

e+ p̄ H̄

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ANTIHYDROGEN PROPERTIES

Ultra-low temperature antihydrogen are not necessary for a beam experiments (unlike trap experiments). BUT cold antihydrogen is better for:
 
 
 1) Polarisation intensity
 
 2) Cascading time: lower n state
 
 3) Interaction time with the microwave field in the cavity

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Behaviour of antiproton and positron plasmas simulated using SIMBUCA Formation of antihydrogen simulated CTMC

• Pipeline between these simulations and Geant4

SIMULATION WITH GEANT 4

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cusp ¡trap cavity ¡with ¡ Helmholtz ¡ coils ¡ and ¡ ¡ shielding ¡ sextupole an*hydrogen ¡ detector 4.4 ¡m

THE SPECTROMETER LINE

120mm 90mm

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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

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THE MICROWAVE CAVITY

10

simulation done at 2G, T=50K

MW frequency (MHz) 1420.40 1420.42 1420.44 counts (arb.u.) 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

∆B B = 1%

precise static field characterization

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

• 2.0
• 1.5
• 1.0
• 0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 High Field Seekers

}

(F, M) = (0, 0) (F, M) = (1, -1) (F, M) = (1, 0)

Frequency (GHz) Magnetic Field (T)

(F, M) = (1, 1)

νHFS= 1.42 GHz

}

Low Field Seekers

MW frequency (MHz) 1423.18 1423.20 1423.22 1423.24 counts (arb.u.) 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

∆B B = 0.1%

𝛒1

𝛒1

σ

σ

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DETECTOR IMPROVEMENTS

11

• nline display of a cosmic

events in the detector (2012)

Detector:

• combination of calorimeter (distinction between H̅ and H̅

annihilation products) and tracking detector

• addition of a 2nd layer of hodoscope (vertex reconstruction)
• simulation of an H̅

annihilation 1 layer of hodoscope. Read out on both side 2 layers of hodoscope

SIMULATION: cosmics simulated with CRY 1.7 in G4

• Assuming 2012 experimental conditions, S/N ratio of ~10

~50% detection efficiency

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SILICON PM DEVELOPMENTS

12

Read-out:

• Faster read-out, improvement of the SiPM read-
• ut electronics

computer controlled gain each channel self triggering (e.g for calibration) computer controlled trigger threshold for each SiPM channel differential digital and analogue signal transmission

Under development at SMI

Timing resolution including scintillator response ~600ps FWHM

• Further S/N enhancement using

timing cut

1

11024-Setup

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SIMULATION

13

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 ¡ CUSP ¡trap ¡ Cavity Sextupole 
 detector high ¡field ¡ ¡ seekers low ¡field ¡ ¡ seekers inclusion ¡of ¡ magne(c ¡and ¡ electric ¡fields

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H> ¡beam H ¡beam Beam ¡rate ¡at ¡producAon ¡(4𝝆) small ¡(≈10 high ¡(≈10 Quantum ¡state broad ¡distribu(on GS DetecAon ¡efficiency detector ¡0.4 ¡to ¡0.6 ¡ solide ¡angle ¡(≈10 detector ¡(≈10 solide ¡angle ¡(≈10 DetecAon ¡method Energy ¡deposit, ¡tracking ioniza(on ¡and ¡single ¡ion ¡ coun(ng Background cosmics, ¡upstream ¡ annihila(on residual ¡gas ¡ ¡ background>>signal ¡(LIA)

TEST SETUP WITH HYDROGEN BEAM (LS1)

Source Induce ¡spin-­‑flip Select ¡state polarized ¡beam Cavity Sextupole Analyze ¡state Detector

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atomic'H'source' ' ON'!'H'and'H2' OFF'!'H2'only' Sextupole) ) for)polarized) beam) Fork4Chopper) ) f)≈)178)Hz) 50%)duty)cycle) Quadrup.)Mass)Spec.) ) )detects)mass=1)))H1

+))

))))))))))or))mass=2))H2

+ ) )

Cryogenic) (cold)head)) for)504100K) beam)

TEST SETUP WITH HYDROGEN BEAM (LS1)

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TEST SETUP WITH HYDROGEN BEAM (LS1)

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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

LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM

increasing ¡sup. ¡cond. ¡sext. ¡current

warm ¡ ¡beam ¡ ¡component ¡ cold ¡ ¡beam ¡ ¡component ¡

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𝛕 ¡transi(on
 Earth ¡magne(c ¡field ¡component ¡∥ ¡ ¡ to ¡oscillatory ¡field ¡≈30𝜈T

• small ¡broadening ¡(low ¡temperature) ¡
• Rela(vely ¡large ¡signal ¡(high ¡polariza(on, ¡small ¡

temperature ¡distribu(on)

LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM

Fit ¡parameter results resonance ¡𝛕 ¡[MHz] 0.0023 𝝃0 ¡ 1420.4063 err ¡( 0.00013 RelaAve ¡err ¡( 9.3E-­‑08

P R E L I M I N A R Y

Central ¡frequency ¡shi\ ¡≈600Hz

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𝛕 ¡transi(on
 Earth ¡magne(c ¡field ¡component ¡∥ ¡ ¡ to ¡oscillatory ¡field ¡≈30𝜈T

• small ¡broadening ¡(low ¡temperature) ¡
• Rela(vely ¡large ¡signal ¡(high ¡polariza(on, ¡small ¡

temperature ¡distribu(on)

LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM

Fit ¡parameter results resonance ¡𝛕 ¡[MHz] 0.0023 𝝃0 ¡ 1420.4063 err ¡( 0.00013 RelaAve ¡err ¡( 9.3E-­‑08

P R E L I M I N A R Y

Central ¡frequency ¡shi\ ¡≈600Hz

P R E L I M I N A R Y

𝝆 ¡transi(on
 Earth ¡magne(c ¡field ¡component ¡⟂ ¡ ¡ to ¡oscillatory ¡field ¡≈37𝜈T Central ¡frequency ¡shi\ ¡≈472kHz Fit ¡parameter results resonance ¡𝛕 ¡[MHz] 0.0034 𝝃0 ¡ 1420.878 err ¡( 0.00010 RelaAve ¡err ¡( 7.2E-­‑08

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LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM

• Vary ¡polariza(on ¡ ¡
• temperature ¡distribu(on ¡
• Velocity ¡mean ¡ ¡
• sta(c ¡field ¡value ¡
• sta(c ¡field ¡inhomogenei(es ¡
• larger ¡beam ¡size ¡
• shielding ¡effect ¡on ¡Majorana ¡spin ¡flip ¡

Cannot ¡vary ¡the ¡quantum ¡state ¡distribu(on ¡-­‑> ¡rely ¡on ¡simula(on ¡ ¡

0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 1420.38 1420.39 1420.4 1420.41 1420.42 1420.43 microwave frequency (MHz) Boltzmann dist. (90K) monoenergetic

Study ¡the ¡resonance ¡line ¡shape ¡in ¡large ¡parameter ¡ ¡ space ¡ Systema(cs ¡studies

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LATEST RESULT WITH HYDROGEN BEAM

• Vary ¡polariza(on ¡ ¡
• temperature ¡distribu(on ¡
• Velocity ¡mean ¡ ¡
• sta(c ¡field ¡value ¡
• sta(c ¡field ¡inhomogenei(es ¡
• larger ¡beam ¡size ¡
• shielding ¡effect ¡on ¡Majorana ¡spin ¡flip ¡

Cannot ¡vary ¡the ¡quantum ¡state ¡distribu(on ¡-­‑> ¡rely ¡on ¡simula(on ¡ ¡

• “cold” ¡beam ¡
• Ground ¡state ¡at ¡the ¡cavity ¡ ¡
• Factor ¡≈10 ¡more ¡sta(s(cs

0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 1420.38 1420.39 1420.4 1420.41 1420.42 1420.43 microwave frequency (MHz) Boltzmann dist. (90K) monoenergetic

Study ¡the ¡resonance ¡line ¡shape ¡in ¡large ¡parameter ¡ ¡ space ¡ Systema(cs ¡studies

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SUMMARY AND OUTLOOK

20

• Design ¡and ¡construc(on ¡of ¡a ¡an(hydrogen ¡detector ¡ongoing. ¡

• Full ¡spectroscopy ¡beamline ¡will ¡be ¡ready ¡for ¡the ¡beam(me ¡this ¡year ¡
• Extensive ¡Monte ¡Carlo ¡simula(on ¡done/ongoing ¡
• First ¡Resonance ¡in ¡Hydrogen ¡observed ¡with ¡part ¡of ¡the ¡Hh ¡spectroscopy ¡

setup ¡ ¡ Adiaba(c ¡Transi(ons ¡within ¡the ¡Earth ¡Magne(c ¡Field ¡are ¡small ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Resonance ¡width ¡is ¡small. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

• Spectroscopy ¡beamline ¡systema(cs ¡study ¡ongoing ¡
• Poten(al ¡for ¡a ¡ppm ¡precision ¡measurement ¡in ¡sight

• E. ¡Widmann

21

A tomic S pectroscopy A nd C ollisions U sing S low A n(protons

ASACUSA ¡Scien(fic ¡project ¡ (1) ¡Spectroscopy ¡of ¡p̄He ¡ (2) ¡p̄ ¡annihila(on ¡cross-­‑sec(on ¡ (3) ¡H- ¡produc(on ¡and ¡spectroscopy ¡

The ¡H- ¡team ¡

• University ¡of ¡Tokyo, ¡Komaba: ¡K. ¡Fujii, ¡N. ¡Kuroda, ¡Y. ¡Matsuda, ¡M. ¡

Ohtsuka, ¡S. ¡Takaki, ¡K. ¡Tanaka, ¡H.A. ¡Torii ¡ RIKEN: ¡ Y. ¡ Kanai, ¡ A. ¡ Mohri, ¡ D. ¡ Murtagh, ¡ Y. ¡ Nagata, ¡ B. ¡ Radics, ¡ S. ¡ Ulmer, ¡S. ¡Van ¡Gorp, ¡Y. ¡Yamazaki ¡ Tokyo ¡University ¡of ¡Science: ¡K. ¡Michishio, ¡Y. ¡Nagashima ¡ Hiroshima ¡University: ¡H. ¡Higaki, ¡S. ¡Sakurai ¡ Univerita ¡ di ¡ Brescia: ¡ M. ¡ Leali, ¡ E. ¡ Lodi-­‑Rizzini, ¡ V. ¡ Mascagna, ¡ L. ¡ Venturelli, ¡N. ¡Zurlo ¡ Stefan ¡ Meyer ¡ InsAtut ¡ für ¡ Subatomare ¡ Physik: ¡ P. ¡ Caradonna, ¡ M. ¡ Diermaier, ¡C. ¡Malbrunot, ¡O. ¡Massiczek, ¡C. ¡Sauerzopf, ¡M. ¡Simon, ¡K. ¡ Suzuki, ¡E. ¡Widmann, ¡M. ¡Wolf, ¡J. ¡Zmeskal ¡

• ACKNOWLEDGEMENTS

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION