German Title: Fortschritt bei der Antiprotonenkühlung und eine verbesserte direkte Untergrenze der Antiprotonenlebensdauer

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Abstract

The Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) probes CPT symmetry by comparing the fundamental properties of protons and antiprotons with highest precision. We have compared proton/antiproton charge-to-mass ratios with a fractional precision of 16 parts in a trillion and proton and antiproton magnetic moments with a precision on the parts per billion level. Located at CERN’s Antimatter Factory, BASE is currently constrained to perform the high-precision studies within the accelerator shutdown period. For this purpose, several antiprotons are caught and then stored almost indefinitely in a dedicated Reservoir trap. High precision g-factor measurements require regular re-cooling of an isolated antiproton. This thesis describes the characterization and optimization of a novel cyclotron-mode cooling device, which lowers the cyclotron mode cooling time from previously 15 hours to only 8 minutes and thus enables us to maximize the number of measurement cycles in the limited window of opportunity. With the improved cooling performance, the spin transition detection error rate is reduced by more than three orders of magnitude to < 0.000023. Furthermore, the optimization and routine operation of the Reservoir trap enabled us to store antiprotons for (up until now) 1.5 years, with a typical consumption rate of about one particle per two months for experimental purposes, highlighting the feasibility of long-term measurement campaigns and experiments with extremely rare species. By continuously monitoring the stored antiprotons in this time range, this thesis extracts a direct lower limit on the antiproton lifetime of 52.54 years with a confidence level of 68%. This improves the previous best value by a factor of five.

Translation of abstract (German)

Das Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) untersucht CPT-Symmetrie, indem es die grundlegenden Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mit höchster Präzision vergleicht. Wir haben die Ladungs-zu-Masse-Verhältnisse von Protonen und Antiprotonen mit einer Genauigkeit von 16 p.p.t. und das magnetische Moment von Protonen und Antiprotonen mit einer Genauigkeit im Bereich p.p.b. verglichen. Das BASE-Experiment befindet sich in der Antimateriefabrik des CERNs und ist derzeit auf hochpräzise Messungen während der Stillstandszeit des Beschleunigers beschränkt. Zu diesem Zweck werden mehrere Antiprotonen eingefangen und dann nahezu unbegrenzt in einer speziellen Reservoir-Falle gespeichert. Hochpräzise g-Faktor-Messungen erfordern eine regelmäßige Nachkühlung eines isolierten Antiprotons. Diese Arbeit beschreibt die Charakterisierung und Optimierung eines neuartigen Kühlapparats für die modifizierte Zyklotronmode, der die benötigte Kühlzeit von bisher 15 Stunden auf nur 8 Minuten verkürzt und es uns somit ermöglicht, die Anzahl der Messzyklen in dem begrenzten Zeitfenster zu maximieren. Mit der verbesserten Kühlung konnte die Fehlerrate bei der Spinübergangsdetektion um mehr als drei Größenordnungen auf < 0,000023 reduziert werden. Darüber hinaus ermöglichten uns die Optimierung und der routinemäßige Betrieb der Reservoir-Falle die Speicherung von Antiprotonen für (bislang) 1,5 Jahre bei einer typischen Verbrauchsrate von etwa einem Teilchen alle zwei Monate für experimentelle Zwecke, was die Durchführbarkeit von Langzeitmesskampagnen und Experimenten mit extrem seltenen Teilchen unterstreicht. Durch kontinuierliche Überwachung der in diesem Zeitraum gespeicherten Antiprotonen wurde innerhalb dieser Dissertation eine direkte Untergrenze für die Antiprotonenlebensdauer von 52,54 Jahren mit einer Konfidenz von 68% ermittelt. Dies verbessert den bisherigen Bestwert um einen Faktor fünf.