German Title: Experimentelle und numerische Untersuchungen von Positronium Laserkühlung in einem magnetischen Feld

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Abstract

The present thesis deals with the application of techniques developed in the field of quantum optics to the exotic atom positronium (Ps), for the purpose of the preparation of cold ensembles of Ps atoms in a magnetic field. The positronium atom, which describes the bound state between an electron and its own antiparticle, the positron, shows numerous peculiarities setting it apart from all other atoms which have been subject to laser cooling so far. In particular, its antimatter character as well as the extraordinarily small mass are accompanied by several unusual phenomena and, together with magnetic-field-induced effects, entail a highly complex laser cooling scheme. Due to the exotic properties, combined with the purely leptonic composition, cold and dense clouds of Ps atoms would represent an ideal testing ground for several fundamental theories and pave the way for many further fascinating applications, such as positronium Bose-Einstein condensation. The conducted numerical simulations, which consider the full complexity of the scheme, reveal that a high cooling efficiency can be achieved with appropriate laser radiation in weak (|B| < 50 mT) and strong fields (|B| > 0.7 T) for many realistic experimental configurations. Based on these results, Ps laser cooling has been realised experimentally within the AEgIS experiment at CERN. The measurements clearly demonstrate successful exertion of a symmetric optical force on the Ps ensemble in a field of |B| = 180 G, namely in the form of a significant population enhancement in the centre of the velocity distribution, which represents a key feature of laser cooling as it is unambiguous evidence for laser-induced recoil effects.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Dissertation behandelt die Anwendung von im Bereich der Quantenoptik entwickelten Techniken auf das exotische Atom Positronium (Ps), zum Zweck der Bereitstellung kalter Ensembles von Ps Atomen in einem Magnetfeld. Das Positronium-Atom, welches den gebundenen Zustand zwischen einem Elektron und seinem eigenen Antiteilchen, dem Positron, beschreibt, weist zahlreiche Besonderheiten auf, durch die es sich von allen anderen Atomen unterscheidet, die bislang lasergekühlt wurden. Insbesondere sein Antimaterie-Charakter sowie die außergewöhnlich kleine Masse gehen mit einigen ungewöhnlichen Phänomenen einher und haben, zusammen mit magnetfeldinduzierten Effekten, ein hochkomplexes Laserkühlungsschema zur Folge. Kalte und dichte Wolken von Ps-Atomen stellen, dank der exotischen Eigenschaften, kombiniert mit einer rein leptonischen Zusammensetzung, eine ideale Basis zur Überprüfung einiger fundamentaler Theorien dar und ebnen den Weg zu vielen weiteren faszinierenden Anwendungen, wie beispielsweise einer Positronium-Bose-Einstein-Kondensation. Die durchgeführten numerischen Simulationen, die die gesamte Komplexität des Schemas berücksichtigen, ergeben, dass in schwachen (|B| < 50 mT) und starken Feldern (|B| > 0.7 T) eine hohe Kühleffizienz für viele realistische experimentelle Konfigurationen erreicht werden kann. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde die Ps-Laserkühlung experimentell im Rahmen des AEgIS-Experiments am CERN realisiert. Die Messungen zeigen deutlich, dass erfolgreich eine symmetrische optische Kraft auf das Ps-Ensemble in einem Feld von |B| = 180 G ausgeübt wurde, und zwar in Form einer signifikanten Populationsanreicherung im Zentrum der Geschwindigkeitsverteilung, welches ein Hauptmerkmal für Laserkühlung darstellt, da es ein eindeutiger Beweis für laserinduzierte Rückstoßeffekte ist.