Integrated hardware and software developments for antiproton and antihydrogen studies in the AEgIS experiment

This thesis presents a series of hardware and software developments carried out within the AEgIS experiment at CERN’s Antimatter Factory during the 2025 summer and autumn experimental campaign. My on-site activity took place from July 1st to August 31st, and later from September 28th to October 10th. Launched in 2008, AEgIS studies antimatter by trapping and manipulating charged plasmas in Penning–Malmberg traps, with the ultimate goal of producing and measuring the gravitational acceleration of antihydrogen. Such a measurement, aimed at achieving an unprecedented level of precision, would provide a unique test of the Weak Equivalence Principle for antimatter and help clarify some of the most profound open questions in modern physics. To this end, the experiment employs a moiré deflectometer, a subsystem which — prior to this work — had never been fully integrated into the main apparatus. My hardware contribution focused on bringing the system to full operational readiness: from the design and fabrication of mechanical components (through 3D printing and traditional subtractive machining) to the assembly, testing of the vacuum system, and integration into the experimental beamline — as well as independent activities of cryogenic maintenance and refilling of liquid helium and nitrogen. These activities were carried out in collaboration with Riley Craig Ferguson (University of Trento), Estere Agnese Teberga (University of Latvia, Riga), and Markus Münster (Technical University of Munich). The software contribution concerned the analysis of antiproton data collected from a network of detectors and a highly synchronized control system. Dedicated Python codes were developed to reconstruct annihilation profiles and to study various experimental procedures, including the sudden and gradual extraction of antiprotons, both with and without sympathetic electron cooling.

La presente tesi illustra una serie di sviluppi hardware e software realizzati nell’ambito dell’esperimento AE¯gIS presso l’Antimatter Factory del CERN, durante la campagna sperimentale estiva e autunnale del 2025. La mia attività in loco si è svolta dal 1° luglio al 31 agosto e successivamente dal 28 settembre al 10 ottobre. Avviato nel 2008, AEgIS studia l’antimateria intrappolando e manipolando plasmi carichi in trappole di Penning–Malmberg, con l’obiettivo di produrre e misurare l’accelerazione gravitazionale dell’antiidrogeno. Una tale misura, volta a raggiungere un livello di precisione senza precedenti, costituirebbe un test unico del Principio di Equivalenza Debole per l’antimateria e contribuirebbe a chiarire alcune delle più profonde questioni aperte della fisica moderna. Per raggiungere questo scopo, l’esperimento utilizza un deflettometro di moiré, sottosistema che — prima di questo lavoro — non era mai stato completamente integrato nell’apparato principale. Il mio contributo hardware ha riguardato la messa in piena operatività del dispositivo: dalla progettazione e realizzazione di componenti meccanici (tramite stampa 3D e lavorazioni sottrattive tradizionali) fino all’assemblaggio, collaudo del sistema di vuoto e integrazione nella linea di fascio — nonché attività indipendenti di manutenzione criogenica e rifornimento di elio e azoto liquidi. Le attività sono state svolte in collaborazione con Riley Craig Ferguson (Università di Trento), Estere Agnese Teberga (Università della Lettonia, Riga) e Markus Münster (Università Tecnica di Monaco). Il contributo software ha riguardato l’analisi dei dati sugli antiprotoni ottenuti da una rete di rivelatori e da un sistema di controllo altamente sincronizzato. Sono stati sviluppati codici Python per la ricostruzione dei profili di annichilazione e per lo studio di diverse procedure sperimentali, tra cui l’estrazione improvvisa e graduale degli antiprotoni, con e senza raffreddamento simpatetico mediante elettroni.