Das PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) Experiment zielt darauf ab, das Verhältnis von Neutronen zu Protonen im Kerndichteschweif als neue Kernstruktur-Observable zu bestimmen, basierend auf dem Verhältnis von annihilierten Neutronen und Protonen nach dem Einfang von niederenergetischen Antiprotonen.

Das Konzept von PUMA beruht auf einem transportablen Versuchsaufbau. Es kombiniert eine kryogene Penning-Falle für die langfristige Speicherung und den Transport von Antiprotonen nach der Akkumulation am ELENA (Extra-Low ENergy Antiproton) Ring des CERNs und ein Detektionssystem für die Identifizierung von Pionen. Diese Pionen stammen aus der Annihilation von Antiprotonen mit Ionen, die entweder von der Offline-Ionenquelle von PUMA an ELENA oder von der ISOLDE (Isotope Separation On-Line DEvice) Einrichtung am CERN bereitgestellt werden.

In dieser Arbeit wurde der kryogene Penning-Fallenaufbau von PUMA entworfen, beschafft und zusammengebaut. Das Speichern von Antiprotonen über Zeiträume in der Größenordnung von 100 Tagen entspricht einem Umgebungsdruck von etwa 10⁻¹⁷ mbar, der durch Kryosorption erreicht werden kann. Um das Fallendesign für die Produktion zu validieren, wurden thermische und Vakuum-Simulationen durchgeführt. Unter der Annahme eines Drucks von 10⁻¹¹ mbar am Eingang des Aufbaus und unter Einbeziehung eines Zylinder-Shutters zur Blockade der Öffnung wird ein Druck von 10⁻¹⁹ mbar in der Speicherfalle vorhergesagt. Nach der mechanischen Montage ist der Aufbau nun bereit für die Inbetriebnahme.

Zur Optimierung der Ionenoptik für die Antiprotonen von ELENA hin zu PUMA und in die Penning-Falle wurden ionenoptische Simulationen durchgeführt. Durch Verfeinerung der Akzeptanzintervalle für die ideale Abbremsung in der gepulsten Driftröhre und der optimalen Potentiale an den Fokussierungselementen entlang der Strahlführung wurde in der Simulation eine Transmission von 91% erreicht. Die Ergebnisse der Simulationen wurden dann mit Messungen an der PUMA-Antiprotonenstrahlführung an ELENA verglichen.

Antiprotonen bieten auch Möglichkeiten, die über das Physik-Programm von PUMA hinausgehen, da die Wechselwirkung der Annihilationsprodukte mit dem Restkern zur Bildung von Einzel-Λ-Hyperkernen führen kann. Mikroskopische Monte-Carlo-Simulationen in einem Transport-Framework wurden durchgeführt und sagen die Population eines breiten Spektrums von derzeit unzugänglichen Hyperkernen mit einer typischen Produktionsrate von 10⁻⁵ pro Annihilation voraus. Diese Ergebnisse bieten eine neue Perspektive für die Untersuchung von Hyperkernen mit Antiprotonen.