SIMULATION OF ANTIHYDROGEN PRODUCTION IN AEGIS

The gravitational acceleration of antimatter produced by a body made of matter has never been measured. As Einstein General Relativity was conceived before the discovery of antimatter in cosmic rays the validity of the Weak Equivalence Principle is questioned for antimatter in a matter field. The primary scientific goal of the AEGIS experiment at Cern is the first measurement of gravity acceleration of antihydrogen with a precision of 1 percent. The experiment is very challenging because this measurement requires very stringent conditions to be able to create a beam of antihydrogen atoms which can be directed to a target to see its gravitational behavior. The present Thesis simulates the behavior of the main part of the experiment, the production of antihydrogen, to check whether the measurement is feasible and suggest possible modifications to increase the number of antihydrogen atoms which are produced. The results of the thesis are produced by a Montecarlo calculation written in Fortran 90 and C++, using routines of the ODEINT library for numerically solving ordinary differential equations. The calculation is based on a semiclassical treatment of the charge-exchange reaction that produces antihydrogen, using a Classical Trajectory Montecarlo (CTMC) with and without the magnetic field of 1T in the antihydrogen production area to axially confine anti-protons. The result of the thesis is that the only way to produce a sufficient number of antihydrogen atoms to measure their gravitation acceleration is to use a vertical silicon transmission target. The reflection target of the initial AEGIS proposal which is now used in the experiment doesn’t seem to be able to produce enough atoms for the measurement. Two different kinds of transmission targets are being tested at Cern.

L’accelerazione gravitazionale dell’antimateria prodotta da un corpo composto di materia non è mai stata misurata. Dato che la Relatività Generale di Einstein è stata concepita prima della scoperta dell’antimateria nei raggi cosmici la validità del Principio di Equivalenza Debole è messo in dubbio per l’antimateria in un campo di materia. Il principale obiettivo scientifico dell’esperimento AEGIS al Cern è la prima misura dell’accelerazione di gravità dell’anti-idrogeno con una precisione dell’1 per cento. L’esperimento è molto sfidante perché questa misurazione richiede condizioni molto stringenti per poter creare un fascio di atomi di anti-idrogeno che possano essere diretti su una superficie per evidenziare il loro comportamento gravitazionale. La presente Tesi simula il comportamento della parte principale dell’esperimento, la produzione di anti-idrogeno, per verificare se la misurazione è fattibile e suggerire possibili modifiche per aumentare il numero di atomi di anti-idrogeno prodotti. I risultati di questa tesi sono prodotti con un calcolo Montecarlo scritto in Fortran e C++, usando routine della libreria ODEINT per risolvere numericamente equazioni differenziali ordinarie. Il calcolo è basato su un trattamento semiclassico della reazione di scambio-carica che produce l’anti-idrogeno, usando un Classical Trajectory Montecarlo (CTMC) in assenza e presenza del campo magnetico di 1T presente nella zona di produzione dell’anti-idrogeno per confinare assialmente gli anti-protoni. Il risultato di questa tesi è che l’unico modo per produrre un numero sufficiente di atomi di anti-idrogeno per misurare la loro accelerazione gravitazionale è di utilizzare una targhetta di silicio verticale in trasmissione. La targhetta in riflessione della proposta inziale di AEGIS che è attualmente utilizzata