title: In-beam measurements of the hydrogen hyperfine splitting to constrain Standard Model Extension coefficients
Creators: name: Nowak, Lilian
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Das ASACUSA-CUSP Experiment am Antiproton Decelerator des CERN hat das Ziel, die Hyperfeinaufspaltung des Grundzustandes von Antiwasserstoff (H̅) mittels einer Rabi-Strahltechnik zu messen, um die CPT-Symmetrie zu testen. Zu diesem Zweck wurde ein Strahl aus kaltem (~50 K) Wasserstoff entwickelt, um den Spektroskopie-Apparat für Antiwasserstoff zu charakterisieren. Im Jahr 2014 wurde am Wasserstoffstrahl-Experiment eine präzise Messung der Hyperfeinaufspaltung (ν₀) im Nullfeld des Wasserstoff-Grundzustandes durchgeführt. Dazu wurde der für das H̅-Experiment entwickelte Spektroskopie-Apparat an eine Wasserstoffquelle gekoppelt. Diese Messungen ermöglichten es, das Potenzial für eine ähnliche Messung mit Antiwasserstoff abzuschätzen. Es wurden mehrere Messungen des σ-Übergangs (F,mF: 1,0 → 0,0) bei verschiedenen äußeren Magnetfeldstärken durchgeführt. Der Nullfeld-Wert wurde aus diesen Messungen mit einer relativen Genauigkeit von 2,7 ppb extrapoliert. Seit diesen ersten Messungen wurden mehrere Erweiterungen am Wasserstoffstrahl-Experiment vorgenommen, um eine gleichzeitige, präzise Messung des π₁-Übergangs (F, mF: 1,1 → 0,0) zu ermöglichen. Das Wasserstoffstrahl-Experiment dient jedoch nicht nur als Testplattform für das H̅-Experiment, sondern bietet auch eigenständige Möglichkeiten für Messungen, insbesondere im Kontext der Standardmodellerweiterung (SME), einer effektiven Feldtheorie, die potenzielle Verletzungen der CPT- und Lorentz-Symmetrien erlaubt. Der π₁-Übergang ist hierbei von besonderem Interesse, da dieser auf einen bisher noch unbeschränkten Satz von SME-Koeffizienten empfindlich ist. Im Jahr 2022 wurde eine neue Messkampagne mit Wasserstoff gestartet, die sich auf Präzisionsmessungen des π₁-Übergangs konzentrierte. Dabei wurden zwei entgegengesetzte Orientierungen des externen Magnetfeldes zur Ausrichtung der Atome verwendet. Der σ-Übergang wurde ebenfalls gemessen, um Referenzfrequenzen zu berechnen. Diese Arbeit bietet einen Überblick über die den Messungen zugrunde liegende Theorie und den experimentellen Aufbau des Wasserstoffstrahls, die Datenerfassung und die Blindanalyse. Nach der Entblindung der Daten führten die Ergebnisse zu Beschränkungen für den angestrebten Satz von SME-Koeffizienten auf einem Niveau von 2,3 × 10⁻²¹ GeV. Zusätzlich zu den SME-Berechnungen wurden die entblindeten Daten analysiert, um ν₀ aus den bei gleichen externen Magnetfeldern gemessenen π₁- und σ-Übergängen zu extrahieren. Dabei wurde eine relative Genauigkeit von 440 ppt erreicht. Dieses Ergebnis repräsentiert die höchste Präzision für ν₀, die bisher mit Wasserstoff in einem Strahl erreicht wurde und verbessert das vorherige Ergebnis um einen Faktor 6.
description: The ASACUSA-CUSP experiment located at CERN’s Antiproton Decelerator aims at measuring the ground state hyperfine splitting of antihydrogen (H̅) using a Rabi-like technique to test CPT symmetry. For this purpose, a beam of cold (~50 K) hydrogen has been developed to characterize the antihydrogen spectroscopy apparatus. In 2014, a precise measurement of the zero-field ground state hyperfine splitting (ν₀) of hydrogen was performed at the hydrogen beamline using the spectroscopy apparatus developed for the H̅ experiment coupled to a hydrogen source. This measurement was used to assess the prospect of a similar measurement with antihydrogen atoms. Several measurements of the σ-transition (F,mF: 1,0 → 0,0) were performed at different external magnetic field strengths. The zero-field value was extrapolated from these measurements with a relative precision of 2,7 ppb. Since this initial measurement, several modifications of the hydrogen beamline were made allowing the concomitant and precise measurement of the π₁-transition (F, mF: 1,1 → 0,0). Beyond serving as a test bench for the H̅ experiment, the hydrogen beamline allows for novel physics measurements especially in the context of the Standard Model Extension (SME), an effective field theory that includes potential violation of CPT and Lorentz symmetries. The π₁-transition is of special interest as it provides sensitivities to a set of SME coefficients that have not yet been constrained. A new measurement campaign on hydrogen started in 2022 and focused on π₁ precision measurements, using two opposite orientations of the external magnetic field aligning the atoms, and using the σ-transition as a reference, to constrain SME coefficients. This thesis provides an overview of the underlying theory, the experimental setup, the data collection and the blind analysis. Upon unblinding the data, the final results yielded constraints on the targeted set of SME coefficients at a level of 2,3 × 10⁻²¹ GeV. In addition to SME tests, the unblinded data were analyzed to extract ν₀ from the π₁- and σ-transitions measured at the same static magnetic field, achieving a relative precision of 440 ppt. This result represents the highest precision for ν₀ achieved on hydrogen in a beam configuration and improves upon the previous result by a factor of 6.