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First Observation of Spin Flips with a single Proton stored in a cryogenic Penning trap

Ulmer, Stefan

German Title: Erstbeobachtung von Spin Flips mit einem einzelnen, in einer kryogenen Penningfalle gespeicherten Proton

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Abstract

In dieser Arbeit wird die erstmalige direkte Beobachtung von Spin-¨ Uberg¨angen eines einzelnen, in einer kryogenen Doppel-Penningfalle gespeicherten Protons pr¨asentiert. Der experimentelle Nachweis solcher Spin-¨ Uberg¨ange basiert auf der Anwendung des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts. Hierbei wird der Spin-Freiheitsgrad ¨uber ein inhomogenes Magnetfeld an die nicht-destruktiv messbare axiale Eigenfrequenz des in der Penningfalle gespeicherten Protons gekoppelt. Eine ¨ Anderung der Spin-Quantenzahl macht sich so in einer Verschiebung der axialen Frequenz bemerkbar. Die besondere experimentelle Herausforderung beim Proton besteht in seinem winzigen magnetischen Moment. Um eine durch einen Spin-¨ Ubergang verursachte Verschiebung der axialen Frequenz beobachten zu k¨onnen, wurde das Proton in der st¨arksten, jemals einer Penningfalle ¨uberlagerten Magnetfeldinhomogenit ¨at gespeichert, und nicht-destruktiv nachgewiesen. Dazu wurden ultrahochempfindliche supraleitende Nachweissysteme entwickelt, welche die direkte Beobachtung des Protons, und die hochpr¨azise Messung seiner Eigenfrequenzen erm¨oglichen. Basierend auf neuartigen experimentellen Methoden, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden, konnte die axiale Frequenz des Protons unter diesen extremen Magnetfeldbedingungen auf ein Niveau stabilisiert werden, das in Kombination mit der entwickelten Hochfrequenzelektronik die Beobachtung von Spin-¨ Uberg¨angen erm¨oglicht. Dieser experimentelle Erfolg stellt einen der wichtigsten Schritte zur direkten Messung des magnetischen Moments des freien Protons dar. Mit der Demonstration der erstmaligen nicht-destruktiven Beobachtung von Spin-¨ Uberg¨angen eines einzelnen Protons er¨offnet sich dar¨uberhinaus eine reizvolle Perspektive. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken k¨onnen auf das Antiproton angewandt werden. So r¨uckt die erstmalige Hochpr¨azisionsmessung des magnetischen Moments des Antiprotons in greifbare N¨ahe, was einen neuen hochpr¨azisen Test der Materie-Antimaterie-Symmetrie erm¨oglicht

Translation of abstract (English)

In this thesis the very first observation of spin transitions of a single proton stored in a cryogenic double-Penning trap is presented. The experimental observation of spin transitions is based on the continuous Stern-Gerlach effect, which couples the spin of the single trapped proton to its axial eigenfrequency, by means of an inhomogeneous magnetic field. A spin transition causes a change of the axial frequency, which can be measured non-destructively. Due to the tiny magnetic moment of the proton, the direct detection of proton spin-flips is an exceeding challenge. To achieve spin-flip resolution, the proton was stored in the largest magnetic field inhomogeneity, which has ever been superimposed to a Penning trap, and its axial frequency was detected non-destructively. Therefore, superconducting detection systems with ultrahigh-sensitivity were developed, allowing the direct observation of the single trapped proton, as well as the high-precision determination of its eigenfrequencies. Based on novel experimental methods, which were developed in the framework of this thesis, the axial frequency of the particle was stabilized to a level, where the observation of single-proton spin-flips is possible, which was demonstrated. This experimental success is one of the most important steps towards the high-precision determination of the magnetic moment of the free proton. With the very first observation of spin transitions with a single trapped proton, a highly exciting perspective opens. All experimental techniques which were developed in this thesis can be directly applied to the antiproton. Thus, the first high-precision measurement of the magnetic moment of the antiproton becomes possible. This will provide a new high-precision test of the matterantimatter symmetry.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Quint, Dr. Priv. Wolfgang
Date of thesis defense: 4. July 2011
Date Deposited: 27. Jul 2011 12:44
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Penning Trap , Proton , Spin
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