Study of the interferometric and gravitational behavior of antimatter

This thesis describes the research activity I carried out during the 3 years of my PhD. During this period I have been involved in studies of different nature: from Fundamental Physics to Materials Science. All these studies have one thing in common: the use of antimatter. The part concerning fundamental physics was carried out in the context of 3 different experiments: QUPLAS, AEgIS and ASACUSA. The QUPLAS experiment, in which I was directly involved during the entire period, is located at the VEPAS (Variable Energy Positron Annihilation Spectroscopy) laboratory of the Politecnico di Milano in Como (this has been also the main location of my office in the last 3 years). The beginning of my activity within this experiment coincided with a period of great ferment in the research group, in fact the first demonstration of antimatter wave interferometry (with positrons) had just been carried out. The first phase of the experiment had therefore just been successfully completed and we looked at the following steps: decoherence studies, positronium interferometry and finally, more ambitiously, gravitation studies of antimatter. In addition to QUPLAS, part of my fundamental research activity was car- ried out at the CERN Antiproton Decelerator near Geneva. In particular, during my PhD the transition of our research group from the AEgIS experiment to ASACUSA took place. The activity carried out in the first half of the 3 years in the AEgIS experiment culminated with a result of great scientific interest: the first pulsed production of antihydrogen. A fundamental result for the experiment whose purpose is the direct measurement of the Earth’s gravitational acceleration, g, on antihydrogen. The second part of the research at CERN took place in the ASACUSA experiment, which aims to study the hyperfine structure of the antihydrogen atom and compare it with the well-known one of hydrogen to provide a CPT symmetry test. With regard to the research activity concerning materials science, during the last 3 years different types of materials were characterized with positron annihilation spectroscopy (PAS) techniques at the VEPAS laboratory. In this case positrons are used as a probe to analyze the defects inside the samples. Among the materials I mention samples of a titanium alloys (Ti6Al4V) produced with the innovative Selective Laser Melting (SLM) technique, tungsten samples coming from the divertor of the ITER nuclear fusion reactor subjected to electronic irradiation, and LiCoO2 Cathodes of Lithium-Ion batteries.

Questa tesi descrive l'attività di ricerca che ho svolto durante i 3 anni del mio dottorato. Durante questo periodo sono stato coinvolto in studi di diversa natura: dalla Fisica Fondamentale alla Scienza dei Materiali. Tutti questi studi hanno una cosa in comune: l'uso dell'antimateria. La parte riguardante la fisica fondamentale è stata svolta nell'ambito di 3 diversi esperimenti: QUPLAS, AEgIS e ASACUSA. L'esperimento QUPLAS, in cui sono stato direttamente coinvolto durante l'intero periodo, si trova presso il laboratorio VEPAS (Variable Energy Positron Annihilation Spectroscopy) del Politecnico di Milano a Como (questa è stata anche la sede principale del mio ufficio negli ultimi 3 anni). L'inizio della mia attività all'interno di questo esperimento ha coinciso con un periodo di grande fermento nel gruppo di ricerca, infatti era appena stata effettuata la prima misura di interferenza di onde di antimateria (con positroni). La prima fase dell'esperimento era quindi appena stata completata con successo e l'esperimento era pronto per i seguenti passi: studi di decoerenza, interferometria del positronioed infine, più ambiziosamente, studi di gravitazione dell'antimateria. Oltre a QUPLAS, parte della mia attività di ricerca di fisica fondamentale è stata svolta presso l'Antiproton Decelerator del CERN vicino a Ginevra. In particolare, durante il mio dottorato, ha avuto luogo il passaggio del nostro gruppo di ricerca dall'esperimento AEgIS all'esperimento ASACUSA. L'attività svolta nella prima metà dei 3 anni nell'esperimento AEgIS sono culminati con un risultato di grande interesse scientifico: la prima produzione pulsata di antiidrogeno. Un risultato fondamentale per l'esperimento il cui scopo è la misura diretta dell'accelerazione gravitazionale terrestre sull'antiidrogeno. La seconda parte della ricerca al CERN si è svolta nell'esperimento ASACUSA, che mira a studiare la struttura iperfine dell'antiidrogeno e confrontarlo con quella ben nota dell'idrogeno per fornire un test della simmetria CPT. Per quanto concerne l'attività di ricerca riguardante la scienza dei materiali, negli ultimi 3 anni sono stato coninvolto nella caratterizzazione di diversi tipi di materiali con tecniche di spettroscopia di annichilazione dei positroni (PAS) presso il laboratorio VEPAS. In questo caso i positroni sono usati come sonda per analizzare i difetti all'interno dei campioni. Tra i materiali cito campioni di una lega di titanio (Ti6Al4V) prodotta con l'innovativa tecnica del Selective Laser Melting (SLM), campioni di tungsteno provenienti dal divertore del reattore a fusione nucleare ITER sottoposti ad irraggiamento elettronico e catodi di batterie agli ioni di litio.