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High-brightness source of muonium

Applicant Knecht Andreas
Number 170734
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.11.2017 - 31.10.2020
Approved amount 380'000.00
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Keywords (5)

Gravity; Superfluid Helium; Spectroscopy; Dilution Refrigerator; Muonium

Lay Summary (German)

Lead
Myonium ist der gebundene Zustand eines positiven Myons mit einem Elektron. Seine Eigenschaften sind dem Wasserstoffatom ähnlich, wobei das Myon die Rolle des Kerns einnimmt. Da das Myon, wie das Elektron, ein fundamentales Teilchen ist, ist die präzise theoretische Beschreibung von Myonium einfacher als die von Wasserstoff und macht es daher zu einem interessanten System, um damit Präzisionsmessungen zu unternehmen. Im Rahmen dieses Projektes entwickeln wir eine neue Methode, um Myonium herzustellen, die - gegenüber den bisherigen Methoden - zu einer deutlich verbesserten Qualität des resultierenden Myoniumstrahls führen wird.
Lay summary

Das Myon ist, wie das Elektron, ein fundamentales Teilchen, jedoch ca. 200 mal schwerer und mit einer Lebensdauer von 2.2 Mikrosekunden kurzlebig. Diese kurze Zeit reicht aus, um Myonium, der gebundene Zustand eines positiven Myons mit einem Elektron, herzustellen. Dieses gebundene System ist dem Wasserstoffatom ähnlich, wobei das Myon die Rolle des Protons einnimmt. Im Gegensatz zum Proton ist das Myon ein fundamentales Teilchen und daher fallen in der präzisen theoretischen Beschreibung dieses Systems einige Schwierigkeiten weg. Dieser Aspekt macht die Durchführung von Präzisionsexperimenten wie Laserspektroskopie oder die Messung der Schwerkraft von Antimaterie mit Myonium interessant.

 

Die Herstellung von Myonium ist komplex, daher sind die Quellen von Myonium typischerweise von schlechter Qualität. In diesem Projekt wollen wir einen Myoniumstrahl von bislang unerreichter Brillianz erzeugen. Wir lenken dazu einen langsamen Myonenstrahl in eine dünne Schicht von supraflüssigem Helium. Mit hoher Wahrscheinlichkeit formiert sich Myonium im supraflüssigen Helium. Da wir dabei nur eine dünne Schicht benutzen, diffundieren so gut wie alle Myoniumatome an die Oberfläche, von wo sie aufgrund ihres positiven chemischen Potentials hinausbeschleunigt werden. Durch diesen Prozess formiert sich quasi automatisch ein Myoniumstrahl mit exzellenter Energieauflösung und kleiner Divergenz.

Direct link to Lay Summary Last update: 05.10.2017

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159754 Development of a new very bright beam of positive muons, novel muonium production methods and first steps towards a new muonium spectroscopy experiment 01.05.2015 Project funding (Div. I-III)
185975 Cold Muonium Beam for Atomic Physics and Antimatter Gravity 01.01.2020 Ambizione
166286 Precision Spectroscopy of Positronium 01.04.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Measurements with muonium (Mu) probe fundamental questions of nature and have been performed since its discovery in 1960. The measurements range from a determination of the ground state hyperfine structure and 1s - 2s interval to muonium-antimuonium conversion and materials science. A project to determine the gravitational interaction of muonium - a mostly antimatter and second-generation system - is currently under development. The dilution refrigerator requested in this proposal will be used to a large extend for that project. However, additionally also an experiment to measure the 1s - 2s interval is under consideration and measurements in the realm of surface materials science using the muon spin rotation technique in a so far unexplored parameter space between 2.2 K and 100 mK are possible using the same apparatus.We will employ the low-energy muon beam currently under development by the muCool project that will deliver 10^5 positive muons per second at an energy of 10 keV and sub-millimeter beam size. This beam represents a phase space reduction by 10 orders of magnitude compared to a standard surface muon beam. The muCool beam will be guided and bent upwards by 90 degrees with electrostatic elements at the end of which it will impinge on a 1 um thick layer of superfluid helium at 0.2 K cooled by the dilution refrigerator unit requested in this proposal. Due to the thin size of the superfluid layer the beam size of the incoming muon beam is preserved and the muonium formation and emission into vacuum occurs with the maximal efficiency of 50%. As the muonium atoms exhibit a positive chemical potential of 270 K inside the superfluid helium they are accelerated perpendicular to the helium surface as they diffuse into vacuum forming a muonium beam with a small energy spread of ?E/E = 0.07%, a small divergence of 27 mrad, sub-millimeter beam size and an intensity of 5 × 10^4 Mu/s.
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