Positronium formation in self-standing materials for antimatter experimentation

The main element of research presented within this thesis is the development of an innovative positron (e+) to positronium (Ps) converter to be employed within positron beams in the transmission geometry. Silica (SiO2) mesoporous thin films were developed in collaboration with the University of Bath and University of Milan to realize these films. The pores of the silica needed to be from 1 to 10 nanometer in diameter and the thickness of the films between 1 and 5 microns (predicted from prior simulation). The progress within this thesis demonstrates a novel material with dimensions within these ranges. Moreover, in order to guarantee the best performances for advanced applications like the anti-hydrogen formation at CERN, the SiO2 targets were asked to be self-supported over an open medium. These materials were characterized with the slow positron beam of the VEPAS laboratory in Como, to understand the positronium behaviour within the pore network. HRTEM was used for analysis of the surface characteristics and morphology of the silica. These films were originally spin-coated, and then transferred to a specially designed fused silica substrate which featured a hexagonal holed array, with hole diameters ranging between 105-140 micrometers. These substrates allowed the positronium atoms to be emitted into vacumm from the opposite side where positrons were implanted. The final part of the thesis is dedicated to the discussion of results which indicate the emission of positronium atoms in vacuum. At the end more tests are suggested so as to perform further analysis on the materials developed.

Il principale contributo scientifico della tesi consiste nello sviluppo di un innovativo convertitore di positroni (e+) in atomi di positronio (Ps) da utilizzare all’interno di fasci di positroni, in geometria di trasmissione. A tale scopo film sottili di diossido di silicio (SiO2) mesoporoso sono stati sviluppati in collaborazione con l’University of Bath e l’Università degli Studi di Milano. Le specifiche previste per tali film, sotto indicazioni di precedenti simulazioni, erano un diametro dei pori compreso tra uno e dieci nanometri e uno spessore complessivo tra uno e cinque micrometri. Inoltre, al fine di garantire le migliori prestazioni per applicazioni avanzate quali la produzione di anti-idrogeno al CERN, si è richiesto ai film di SiO2 la caratteristica di essere autoportanti. I progressi all’interno di questa tesi dimostrano la effettiva produzione di un materiale avente le caratteristiche richieste. I campioni prodotti sono stati caratterizzati con l’impiego di un fascio di positroni lenti disponibile presso il laboratorio VEPAS di Como, con lo scopo di di studiare le proprietà degli atomi di positronio prodotti all’interno della rete di pori. La microscopia elettronica in trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) è stata usata per l’analisi delle caratteristiche superficiali e morfologiche dei materiali. I film prodotti sono stati inizialmente sottoposti a spin-coating per poi essere trasferiti su un ingegnerizzato substrato di SiO2 fusa su cui è presente una matrice esagonale di fori con diametri che variano tra centocinque e centoquaranta micrometri. I fori consentono agli atomi di positronio prodotti di venire emessi in vuoti, dalla superficie opposta rispetto a quella dove i positroni vengono impiantati. La parte finale della tesi è dedicata alla discussione di risultati dai quali si evince l’effettiva emissione di atomi di positronio in vuoto. Vengono infine indicati ulteriori tests per una più completa caratterizzazione della tipologia di materiale sviluppato.