Эксперимент АФИНА
Проект исследования антиматерии

Антипротонный замедлитель
(АД)
ЕЛЕНААнтипротонное кольцо с очень низкой энергией – еще больше замедляет антипротоны, выходящие из AD
эксперименты с АД
АФИНАAD-1 Производство антиводорода и прецизионные эксперименты
АТРАПХолодный антиводород АД-2 для прецизионной лазерной спектроскопии
АСАКУСАAD-3 Атомная спектроскопия и столкновения с антипротонами
ТУЗЭксперимент с антипротонной клеткой AD-4
АЛЬФААппарат антиводородного лазера для физики АД-5
AEgISAD-6 Эксперимент по антиводороду, гравитационная интерферометрия, спектроскопия
ГБАРAD-7 Гравитационное поведение антиводорода в состоянии покоя
БАЗАAD-8 Эксперимент по симметрии барион-антибариона
ПУМАAD-9 Аннигиляция нестабильной материи антипротона

ATHENA, также известный как эксперимент AD-1, был исследовательским проектом антиматерии в Антипротонном замедлителе в ЦЕРНе , Женева. В августе 2002 года это был первый эксперимент, в ходе которого было получено 50 000 низкоэнергетических атомов антиводорода , как сообщалось в Nature . [1] [2] В 2005 году ATHENA была расформирована, и многие из бывших членов исследовательской группы работали над последующим экспериментом ALPHA и экспериментом AEgIS .

Экспериментальная установка

Реальная аннигиляция материи и антиматерии из-за атома антиводорода в эксперименте ATHENA. Антипротон производит четыре заряженных пиона (желтые), чьи позиции задаются кремниевыми микрополосками (розовые) перед тем, как передать энергию в кристаллы CsI (желтые кубики). Позитрон также аннигилирует, производя встречные гамма-лучи (красные).

Аппарат ATHENA состоял из четырех основных подсистем: ловушки для захвата антипротонов , аккумулятора позитронов, ловушки для смешивания антипротонов/позитронов и детектора аннигиляции антиводорода. Все ловушки в эксперименте были вариациями ловушки Пеннинга , которая использует аксиальное магнитное поле для поперечного удержания заряженных частиц и ряд полых цилиндрических электродов для их аксиального захвата. Ловушки для захвата и смешивания были расположены рядом друг с другом и коаксиально с магнитным полем 3 Т от сверхпроводящего соленоида . [3] [4]

Накопитель позитронов имел собственную магнитную систему, также соленоид, с напряженностью поля 0,14 Тесла . Отдельный криогенный теплообменник в отверстии сверхпроводящего магнита охлаждал улавливающую и смешивающую ловушки примерно до 15 К. Аппарат ATHENA имел открытую модульную конструкцию, которая обеспечивала экспериментальную гибкость, особенно при введении большого количества позитронов в аппарат. [5] [6]

Ловушка-ловушка

Ловушка-ловушка замедляла, захватывала, охлаждала и накапливала антипротоны . Для охлаждения антипротонов ловушка-ловушка сначала загружалась3 × 10 8 электронов, которые охлаждались синхротронным излучением в магнитном поле 3 Тесла. Обычно АД доставлял2 × 10 7 антипротонов с кинетической энергией 5,3 МэВ и длительностью импульса 200 нс для эксперимента с интервалом 100 с. Антипротоны замедлялись в тонкой фольге и захватывались с помощью импульсного электрического поля . Антипротоны теряли энергию и уравновешивались с холодными электронами за счет кулоновского взаимодействия . Электроны выбрасывались до смешивания антипротонов с позитронами. Каждый выстрел AD приводил к примерно3 × 10 3 холодных антипротонов для экспериментов по взаимодействию. [7]

Накопитель позитронов

Накопитель позитронов замедлял, улавливал и накапливал позитроны, испускаемые радиоактивным источником (1.4 × 10 9  Бк 22 Na). Накопление в течение 300 с дает 1.5 × 10 8 позитронов, 50% из которых были перенесены в смесительную ловушку, где они охлаждались синхротронным излучением. [8]

Смесительная ловушка

Смешивающая ловушка имела конфигурацию аксиального потенциала вложенной ловушки Пеннинга, которая позволяла двум плазмам противоположного заряда вступать в контакт. В ATHENA сфероидальное позитронное облако могло быть охарактеризовано путем возбуждения и обнаружения аксиальных плазменных колебаний. Типичные условия были:7 × 10 7 сохраненных позитронов, радиус 2 – 2,5 мм, длина 32 мм и максимальная плотность 2.5 × 10 8  см −3 . Детектор аннигиляции антиводорода располагался соосно с областью смешивания, между внешним радиусом ловушки и отверстием магнита.

Детектор аннигиляции антиводорода

Детектор был разработан для предоставления недвусмысленных доказательств производства антиводорода путем обнаружения совпадающих по времени и пространству аннигиляций антипротона и позитрона, когда нейтральный атом антиводорода покидает электромагнитную ловушку и ударяется об электроды ловушки. Антипротон обычно аннигилирует в несколько заряженных или нейтральных пионов. Заряженные пионы были обнаружены двумя слоями двухсторонних, чувствительных к положению кремниевых микрополосок. Путь заряженной частицы, проходящей через оба слоя, мог быть реконструирован, и два или более пересекающихся трека позволяли определить положение или вершину аннигиляции антипротона. Неопределенность в определении вершины составляла приблизительно 4 мм и в основном определялась неизмеренной кривизной траекторий заряженных пионов в магнитном поле. Временное окно совпадений составляло приблизительно 5 микросекунд. Покрытие телесного угла области взаимодействия составляло около 80% от 4π. [9]

Позитрон, аннигилирующий с электроном, дает два или три фотона . Детектор позитронов, состоящий из 16 рядов, каждый из которых содержит 12 сцинтилляционных кристаллов чистого цезия-йодида, был разработан для обнаружения двухфотонных событий, состоящих из двух фотонов 511 кэВ, которые всегда испускаются спина к спине. Энергетическое разрешение детектора составляло 18% полной ширины полумаксимума при 511 кэВ, а эффективность обнаружения фотопика для одиночных фотонов составляла около 20%. Максимальная скорость считывания всего детектора составляла около 40 Гц. Вспомогательные детекторы включали большие сцинтилляционные лопатки, внешние по отношению к магниту, и тонкий, позиционно-чувствительный, кремниевый диод, через который проходил падающий пучок антипротонов перед попаданием в улавливающую ловушку.

Для получения атомов антиводорода позитронная яма в области смешивания была заполнена примерно7 × 10 7 позитронов и оставляли охлаждаться до температуры окружающей среды (15 кельвинов ). Затем вокруг позитронной ямы была сформирована вложенная ловушка. Затем приблизительно 104 антипротонов были запущены в область смешивания путем импульсного переключения ловушки из одной потенциальной конфигурации в другую. Время смешивания составляет 190 с, после чего все частицы были сброшены, и процесс повторился. События, запускающие кремниевый детектор изображения (три стороны удара во внешний слой), инициировали считывание как кремниевого, так и CsI-модуля.

Используя этот метод, ATHENA смогла впервые произвести несколько тысяч атомов холодного антиводорода в 2002 году. [10]

Сотрудничество АФИНА

Участники коллаборации ATHENA собрались, чтобы отпраздновать успешное производство тысяч атомов антиводорода, 20 сентября 2002 г.

В состав ATHENA вошли следующие институты: [11]

Ссылки

  1. ^ "Тысячи холодных антиатомов произведены в ЦЕРНе" (пресс-релиз). ЦЕРН . 18 сентября 2002 г.
  2. ^ Аморетти, М.; и др. (Сотрудничество ATHENA) (2002). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода». Nature . 419 (6906): 456–459. Bibcode :2002Natur.419..456A. ​​doi : 10.1038/nature01096 . PMID  12368849. S2CID  4315273.
  3. ^ Амслер, К.; Бономи, Дж.; Фонтана, А.; Келлербауэр, А.; Лагомарсино, В.; Риццини, Э. Лоди; Ротонди, А.; Тестера, Дж.; Вентурелли, Л.; Зурло, Н. (10 августа 2014 г.). «Эксперимент ATHENA по изучению антиводорода». International Journal of Modern Physics A . 29 (20): 1430035. Bibcode :2014IJMPA..2930035A. doi :10.1142/S0217751X1430035X. ISSN  0217-751X.
  4. ^ «Спросите экспертов». Scientific American . 293 (3): 124. Сентябрь 2005. Bibcode : 2005SciAm.293c.124.. doi : 10.1038/scientificamerican0905-124. ISSN  0036-8733.
  5. ^ Fujiwara, MC; Amoretti, M.; Amsler, C.; Bonomi, G.; Bouchta, A.; Bowe, PD; Canali, C.; Carraro, C.; Cesar, CL; Charlton, M.; Doser, M. (30 июля 2008 г.). "Временно контролируемая модуляция производства антиводорода и температурное масштабирование рекомбинации антипротонов и позитронов". Physical Review Letters . 101 (5): 053401. Bibcode : 2008PhRvL.101e3401F. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.053401. ISSN  0031-9007. PMID  18764390.
  6. ^ Берг, М.; Хаак, М.; Кёрс, Б. (1 июня 2004 г.). «Взаимодействие бран и потоков в ориентифолдах». Fortschritte der Physik . 52 (67): 583–589. arXiv : hep-th/0312172 . Бибкод : 2004ForPh..52..583B. дои : 10.1002/prop.200310148. ISSN  0015-8208. S2CID  15924007.
  7. ^ Cesar, CL (2005). «Холодный антиводород в ATHENA: экспериментальное наблюдение и далее». Труды конференции AIP . 770. Рио-де-Жанейро (Бразилия): AIP: 33–40. Bibcode : 2005AIPC..770...33C. doi : 10.1063/1.1928839.
  8. ^ Фунакоши, Р.; Аморетти, М.; Бономи, Г.; Боуи, П. Д.; Канали, К.; Карраро, К.; Сезар, К. Л.; Чарльтон, М.; Дозер, М.; Фонтана, А.; Фудзивара, М. К. (19 июля 2007 г.). «Методы управления позитронной плазмой для производства холодного антиводорода». Physical Review A. 76 ( 1): 012713. Bibcode : 2007PhRvA..76a2713F. doi : 10.1103/PhysRevA.76.012713. ISSN  1050-2947.
  9. ^ Amoretti, M.; Amsler, C.; Bonomi, G.; Bouchta, A.; Bowe, PD; Carraro, C.; Cesar, CL; Charlton, M.; Doser, M.; Filippini, V.; Fontana, A. (февраль 2004 г.). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 518 (1–2): 244–248. Bibcode : 2004NIMPA.518..244A. doi : 10.1016/j.nima.2003.10.072.
  10. ^ Аморетти, М.; и др. (Сотрудничество ATHENA) (февраль 2004 г.). «Антиводородный аппарат АФИНА». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 518 (3): 679–711. Бибкод : 2004NIMPA.518..679A. CiteSeerX 10.1.1.467.7912 . дои :10.1016/j.nima.2003.09.052. 
  11. ^ "The ATHENA Collaboration". CERN . Архивировано из оригинала 1 марта 2012 года . Получено 1 февраля 2010 года .
  • Запись для эксперимента ATHENA на INSPIRE-HEP
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ATHENA_experiment&oldid=1238659655"