Antihydrogen Production with a Highly Efficient Antiproton Trap toward the Free-Fall Experiment of Antihydrogen atoms in GBAR = 고효율 반양성자 트랩을 활용한 반수소 생성:GBAR의 반수소 자유낙하 실험을 향하여

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The interaction between antimatter and gravitational fields remains a fundamental question in modern physics. While the Weak Equivalence Principle has been experimentally tested for matter with a precision of 10^(-15), it has yet to be conclusively tested for antimatter. The GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) experiment seeks to measure the gravitational acceleration of antihydrogen in Earth's gravitational field with a precision of 1%, with the ultimate goal of improving this to 10^(-5) or better in future stages. Achieving such precision requires the production of antihydrogen ions, which are cooled to a few μK and then neutralized to perform free-fall experiments with ultra-cold antihydrogen atoms.

The production of antihydrogen represents a crucial milestone for the GBAR experiment. Antihydrogen atoms and ions are expected to be produced via a double charge exchange reaction between a positronium cloud and an antiproton beam. To obtain a sufficient number of antihydrogen ions, the antiproton beam must be delivered to the target region with high intensity and low emittance to maximize the overlap with the positronium cloud.

This thesis focuses on the development and commissioning of the Antiproton Trap, a type of Penning-Malmberg trap designed to meet the requirements for the antiproton beam. The Antiproton Decelerator (AD) and the Extra Low Energy Antiproton (ELENA) ring at CERN supply a 100 keV antiproton beam to experiments at the AD facility, including GBAR. In the GBAR experiment, a drift tube decelerator reduces the beam energy to 1-10 keV before sending it to the Antiproton Trap. The antiprotons are then trapped, cooled, and compressed in the trap, and subsequently extracted, accelerated, and transferred to the positronium target.

The Antiproton Trap demonstrated the highest performance among all existing antiproton traps in terms of trapping efficiency and plasma density. It achieves a trapping efficiency of (44±4)% relative to the ELENA beam intensity, corresponding to (5.1±0.4)×10^6 antiprotons per AD/ELENA cycle. Using the rotating wall technique, the antiproton plasma is compressed to a density estimated to be approximately 1% of the Brillouin density limit. After being compressed to a high density, the antiprotons are extracted and accelerated. The trap routinely provides 6 keV bunches containing (4.9±0.4)×10^6 antiprotons, which are delivered to the positronium target cavity where antihydrogen is formed.

The successful commissioning of the Antiproton Trap has significantly increased the antihydrogen production rate and enabled the first measurement of the antihydrogen production cross section. Further improvements are expected to enable the production of antihydrogen ions, a critical step toward achieving the primary objective of the GBAR experiment.

국문 초록 (Abstract)

반물질은 1928년 Dirac에 의해 처음 이론적으로 그 존재가 예측되었으며, 지금까지 다양한 실험을 통해 실재가 확인되었다. 그러나 반물질이 중력장과 어떻게 상호작용 하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 약한 등가원리가 반물질에 대해서도 유효하다면 반물질 또한 중력장 안에서 물질과 같은 가속도로 낙하할 것이다. 물질에 대해서는 약한 등가원리가 실험적으로 높은 정밀도로 검증되었으나, 반물질의 경우 아직 정밀한 실험적 검증이 이루어지지 않았다. GBAR 실험은 지구 중력장에서 반수소의 중력가속도를 측정하기 위해 고안된 실험으로, 반수소 자유낙하 실험을 통해 1% 오차를 달성하고, 추가적인 연구를 통해 10^(-5) 혹은 더 높은 정밀도를 달성하는 것이 목표이다. 이를 위해 반수소 이온을 생성한 뒤, 10 μK까지 냉각하고, photodetachment 레이저를 이용해 중성화하여 정지 상태에 가까운 반수소 원자를 생성한다. 이렇게 생성한 반수소 원자의 자유낙하 운동을 관찰함으로써 중력가속도를 측정할 수 있다.

GBAR 실험이 현재 직면한 주요 과제는 충분한 반수소의 생성이다. 반수소 이온 생성을 위해, positronium 구름과 반양성자 빔 사이에서 발생하는 이중 전하 교환 (double charge exchange) 반응이 제안되었다. GBAR 실험의 목표인 높은 정밀도를 달성하려면 충분한 양의 반수소를 생성해야 하며, 이를 위해 반양성자 빔을 효율적으로 제어하여 높은 밀도로 positronium 타겟에 전달해야 한다. 반양성자 빔 라인은 이러한 목적을 달성하기 위해 구축되었으며, 반양성자 트랩은 그 안에서 핵심적인 역할을 수행한다. 본문은 반양성자 트랩의 개발과 성능지표 검증에 관한 내용을 중점적으로 다루고 있다. 반양성자 빔은 CERN의 Antiproton Decelerator (AD)와 Extra Low ENergy Antiproton (ELENA) ring 시설에서 제공하고 있으며, GBAR 실험은 이를 감속하여 반양성자 트랩에 제공한다. 반양성자 트랩 내에서는 반양성자를 구속해 냉각하고 압축하여 저장하고 있다가 원하는 시점에 추출하고 재가속하여 positronium target에 전송한다.

반양성자 트랩은 여러가지 성능 지표에서 최고 수준을 달성했다. ELENA에서 제공하는 반양성자 개수를 기준으로 (44±4)%의 trapping efficiency를 달성했으며, 이를 AD/ELENA cycle당 (5.1±0.4)×10^6개의 반양성자를 저장할 수 있음을 의미한다. 또한 rotating wall 기술을 활용해 반양성자를 압축해 이론적으로 달성할 수 있는 최대 밀도인 Brillouin density limit에 1%를 달성했다. 반양성자 트랩은 저장한 반양성자를 6 keV로 재가속하여 (4.9±0.4)×10^6개의 반양성자를 안정적으로 제공했다. 이는 반수소 생성을 위해 빔라인을 따라 positronium 타겟까지 전송되었다.

반양성자 트랩의 높은 성능은 반수소 생성률을 현저히 향상시키는 데에 크게 기여했으며, 반수소 생성의 cross section 측정을 가능하게 해주었다. 향후 추가 연구를 통해, 반양성자 트랩은 반수소 이온 생성과 GBAR 실험의 목표 달성에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Antimatter 1
• 1.1 Physics of antimatter 1
• 1.1.1 CPT Symmetry 3
• 1.1.2 Matter-Antimatter Asymmetry 5
• 1.1.3 Gravitational Interaction 6
• 1.2 Antimatter Experiments 9
• 1.2.1 AD experiments at CERN 11
• 1.3 Weak Equivalence Principle 14
• 1.3.1 WEP tests for the Antimatter 16
• II. The GBAR Experiment 19
• 2.1 Experimental Design 19
• 2.2 Positron Line 21
• 2.2.1 LINAC 21
• 2.2.2 Buffer Gas Trap 22
• 2.2.3 High Field Trap 25
• 2.2.4 Positronium Formation 26
• 2.3 Antiproton Line 28
• 2.3.1 AD/ELENA 28
• 2.3.2 Drift Tube Decelerator 33
• 2.3.3 Antiproton Trap 36
• 2.3.4 Scintillator Detectors 43
• 2.3.5 Reaction Chamber and After 59
• 2.3.6 Lamb shift Measurement 60
• 2.4 Antihydrogen Production 63
• 2.4.1 SPHINX project 64
• 2.5 Free-fall experiment of antihydrogen atoms 65
• 2.5.1 Be+ Cooling 68
• 2.5.2 Free Fall Chamber 70
• 2.5.3 Quantum Free Fall 71
• III. Penning-Malmberg Trap 73
• 3.1 Confinement of a charged particle 73
• 3.2 WARP PIC Simulation 75
• 3.2.1 Simulation setup 75
• 3.2.2 Geometries 77
• 3.2.3 Initial Particle Distribution 78
• 3.3 Motion of a particle in a Penning Trap 79
• 3.3.1 The equation of motion 80
• 3.3.2 Magnetic Moment 82
• 3.4 Non-neutral Plasma in a Penning Trap 87
• 3.4.1 Thermal equilibrium states 88
• 3.4.2 Plasma Density and the Brillouin Limit 89
• 3.4.3 Plasma Cooling Techniques 91
• 3.5 Alignment of electrodes and a magnet 94
• IV. Antiproton Beam Processing 101
• 4.1 Capturing 101
• 4.2 Cooling 108
• 4.2.1 Synchrotron emission of electrons 108
• 4.2.2 Trapping and Cooling of antiprotons 112
• 4.2.3 Experimental data 120
• 4.3 Rotating Wall Compression 124
• 4.3.1 Electron compression 125
• 4.3.2 Antiproton compression 128
• 4.3.3 Lifetime 131
• 4.4 Extraction and Bunching 135
• 4.4.1 Extraction Scheme 135
• 4.4.2 Acceleration 136
• 4.4.3 Double-gap buncher system 137
• 4.4.5 The Antiproton Trap operation for the Mixing Run in 2024 142
• 4.4.6 Transfer to the target cavity 148
• 4.4.7 WARP Simulation 149
• V. H/H+ Production 153
• 5.1 Antihydrogen formation 153
• 5.2 Antihydrogen Production in GBAR 156
• 5.2.1 Positronium target 158
• 5.2.2 Production of Antihydrogen atoms 160
• 5.2.3 Production rate of Antihydrogen atoms and ions 163
• VI. Conclusion and Prospects 165
• Bibliography 169
• Abstract in Korean 185