Measuring the hydrogen ground state hyperfine splitting through the pi1 and sigma1 transitions

Die ASACUSA Kollaboration arbeitet an einer Messung der Hyperfeinstruktur von Antiwasserstoff im Grundzustand (GSHS) mittels Rabi Spektroskopie, um die CPT Symmetrie zu testen. Die Hyperfeinstruktur von Wasserstoff wurde mit hoher Präzision bestimmt, weshalb der Vergleich mit diesem Wert für Antiwasserstoff auf einer absoluten Energieskala potenziell einer der genauesten Tests der CPT Symmetrie werden kann. Eine gute Charakterisierung des Spektrometers für dieses Experiment ist eine Voraussetzung, um die angestrebte Präzision zu erreichen. Der hohe Aufwand, der für die Produktion selbst von geringen Mengen von Antiwasserstoff erforderlich ist, verlangt nach alternativen Ansätzen für die Charakterisierung und rechtfertigt vorbereitende Messungen mit Materie. Aus diesem Grund hat das Stefan-Meyer-Institut (SMI) als Teil der ASACUSA Kollaboration ein Wassserstoffstrahlexperiment aufgebaut. Dieses wird dazu beitragen, dass der Zeitbedarf der Antiwasserstoffexperimente reduziert werden kann. Die Hauptkomponenten des Wasserstoffstrahlexperiments sind: Eine Quelle von gekühlten und modulierten atomaren Wasserstoff; ein Set von Permanentsextupolmagneten für die Polarisation des Strahls; ein Hohlraumresonator um die Hyperfeinübergänge zu treiben; McKeehan-artige Spulen um ein konstantes externes Magnetfeld zu generieren; ein weiteres Set von Permanentsextupolmagneten zwecks Analyse der Zustände; und ein Quadrupolmassenspectrometer als Wasserstoffdetektor. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Hohlraumresonator und Spulen-Aufbau verbessert, um die Untersuchung von zwei Hyperfeinübergängen zu ermöglichen. Während bereits im vorangegangen Aufbau der sigma1-Übergang zugänglich war, verlangt die Untersuchung des pi1-Übergangs eine verbesserte Homogenität des externen Magnetfeldes auf (sigmaB/|B|) < 1000 ppm. Deshalb wurden eine neue Magnetfeldabschirmung und McKeehan-artige Spulen konstruiert. Die Charakterisierung dieser neuen Bauteile ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit und ein erreichter Wert von (sigmaB/|B|) ~ 590 ppm konnte verifiziert werden. Sowohl der sigma1- als auch der pi1-Übergang wurden zum ersten Mal unter Verwendung der neuen Abschirmung und Spulen vermessen. Von diesen Ergebnissen lässt sich die Hyperfeinstrukturaufspaltung von Wasserstoff im Grundzustand im feldfreien Fall ableiten. Die beiden Übergange erlauben unabhängig von einander die Extrapolation zum Nullfeld und alternativ können auch die Ergebnisse beider Übergänge beim gleichen Magnetfeldwert für eine Bestimmung benutzt werden. Die Extrapolationsmethode basierend auf dem pi1-Übergang wurde im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal angewandt. Die Ergebnisse dieser Messungen sind alle innerhalb einer Standardabweichung in Übereinstimmung mit dem Literaturwert: nu0 = (1420405753 +- 8) Hz für die Methode mit beiden Übergängen beim gleichen externen Magnetfeld; nu0 = (1420405760 +- 34) Hz für die Extrapolation der Ergebnisse mittels pi1-Übergängen; und nu0 = (1420405767 +- 15) Hz für die Extrapolation der Ergebnisse mittels sigma1-Übergängen.The ASACUSA collaboration is aiming to measure the ground state hyperfine structure (GSHS) of antihydrogen to test the CPT symmetry in a Rabi like experiment. The GSHS of hydrogen is a very precisely known value. In addition the hyperfine splitting frequency is a small quantity, therefore a comparison with antihydrogen has the potential to yield one of the most precise tests of the CPT symmetry on an absolute energy scale. A good characterization of the experiment's spectrometry is a premise to achieve a high precision. The high cost and the low production rates of antihydrogen require alternative methods for this characterization and justify the use of matter for such preparations. For this reason the Stefan Meyer Institute (SMI) as part of the ASACUSA collaboration constructed a hydrogen beam experiment. This will help to shorten the time frame needed for the antihydrogen measurements. The main components of the hydrogen-beam setup are: a source of cold, modulated atomic hydrogen, a set of permanent sextupoles for polarization, a cavity to induce the spin flips, McKeehan-like coils to produce a homogeneous external magnetic field, another set of permanent sextupoles for state analysis and a quadropole mass spectrometer as detector. The same cavity is going to be used on the antihydrogen experiment and hence its characterization is highly relevant. Within the scope of this work, the cavity and coils assembly was modified to enable measurements of two transitions. While the sigma1-transition has been accessible by the previous setup as well, the pi1-transition requires an improved external magnetic field homogeneity of (sigmaB/|B|) < 1000 ppm. Therefore a new shielding as well as new McKeehan-like coils have been constructed. The characterization of these two new pieces of equipment is also part of the present work and a homogeneity of (sigmaB/|B|) ~ 590 ppm has been verified. Both pi1 and sigma1 transitions in hydrogen were measured for the first time using an upgraded setup. From these results the GSHS at zero magnetic field are calculated by extrapolation using the pi1 or sigma1 transitions separately and it will also be calculated using both transitions at the same static magnetic field. The results presented in this work of the GSHS using the pi1 extrapolation are the first results ever made using this method. The obtained GSHS result has the value of nu0 = (1420405753 +- 8) Hz using both transitions at the same static magnetic field. For the pi1 extrapolation, nu0 = (1420405760 +- 34) Hz. For the sigma1 extrapolation, nu0 = (1420405767 +- 15) Hz