Антипротонный замедлитель
Текущие объекты по частицам и ядерному оборудованию | |
---|---|
БАК | Ускоряет протоны и тяжелые ионы |
ЛАГЕРЬ | Ускоряет ионы |
СПС | Ускоряет протоны и ионы |
Промсвязьбанк | Ускоряет протоны |
ПС | Ускоряет протоны или ионы |
Линак 3 | Вводит тяжелые ионы в LEIR |
Линак4 | Ускоряет ионы |
ОБЪЯВЛЕНИЕ | Замедляет антипротоны |
ЕЛЕНА | Замедляет антипротоны |
ИЗОЛЬДА | Создает пучки радиоактивных ионов. |
Врачи | Производит изотопы для медицинских целей |
Антипротонный замедлитель ( AD ) — накопительное кольцо в лаборатории ЦЕРН недалеко от Женевы . [1] Он был построен на основе Коллектора антипротонов (AC) как преемник Кольца антипротонов низкой энергии (LEAR) и начал работу в 2000 году. Антипротоны создаются путем воздействия пучка протонов из протонного синхротрона на металлическую мишень. АД замедляет образующиеся антипротоны до энергии 5,3 МэВ, которые затем выбрасываются в один из нескольких связанных экспериментов.
Основными целями экспериментов в AD являются спектроскопическое наблюдение антиводорода и изучение влияния гравитации на антивещество. Хотя каждый эксперимент в AD преследует разные цели: от тестирования антивещества для лечения рака до исследования симметрии CPT и исследования антигравитации .
История
[ редактировать ]Антипротонное кольцо низкой энергии (1982–1996) | |
---|---|
Антипротонный аккумулятор | антипротонов Производство |
Коллектор антипротонов | Замедленные и запасенные антипротоны |
Фабрика антиматерии (2000 – настоящее время) | |
Антипротонный замедлитель (АД) | Замедляет антипротоны |
Антипротонное кольцо сверхнизкой энергии (ЕЛЕНА) | Тормозит антипротоны, полученные от АД. |
С 1982 по 1996 год ЦЕРН эксплуатировал Кольцо антипротонов низкой энергии (LEAR) , с помощью которого было проведено несколько экспериментов с медленно движущимися антипротонами. На завершающих этапах LEAR физическое сообщество, участвовавшее в этих экспериментах с антивеществом , хотело продолжить исследования медленных антипротонов. Мотивацией к созданию AD послужил семинар по антиводороду , состоявшийся в Мюнхене в 1992 году. [2] [3] Эта идея была быстро реализована, и технико-экономическое обоснование AD было завершено к 1995 году. [4]
В 1996 году Совет ЦЕРН попросил подразделение протонных синхротронов (ПС) изучить возможность генерации медленных пучков антипротонов. В 1996 году подразделение PS подготовило проектное исследование с решением использовать коллектор антипротонов (AC) и преобразовать его в единый замедлитель антипротонов. AD был утвержден в феврале 1997 года. [5] [6]
Модификация АС, установка АД и пусконаладочные работы проводились в течение следующих трех лет. К концу 1999 года кольцо переменного тока было модифицировано в замедлитель и систему охлаждения, образовав Антипротонный замедлитель. [3] [7]
Замедлитель
[ редактировать ]Овальный периметр AD состоит из четырех прямых участков, на которых размещены системы торможения и охлаждения. В этих секциях имеется несколько дипольных и квадрупольных магнитов, чтобы избежать рассеивания луча . Антипротоны охлаждаются и замедляются за один 100-секундный цикл в синхротроне AD. [3]
Производство антипротонов
[ редактировать ]AD требует около протоны с импульсом 26 ГэВ/с для образования антипротонов в минуту. Протоны высокой энергии, поступающие из протонного синхротрона, сталкиваются с тонким, очень плотным стержнем из металлического иридия диаметром 3 мм и длиной 55 см. [3] Иридиевый стержень, заключенный в графит и заключенный в герметичный титановый корпус с водяным охлаждением, остается неповрежденным. Но столкновения создают множество энергичных частиц, включая антипротоны. Магнитная биконическая алюминиевая линза рупорного типа собирает антипротоны, вылетающие из мишени. Этот коллектор принимает антипротоны с энергией 3,5 ГэВ/c , и они отделяются от других частиц за счет отклонения электромагнитными силами. [3] [4]
Замедление, накопление и охлаждение
[ редактировать ]Радиочастотные (РЧ) системы замедляют и группируют охлажденные антипротоны со скоростью 3,5 ГэВ/c. Многочисленные магниты внутри фокусируют беспорядочно движущиеся антипротоны в коллимированный луч и изгибают его. Одновременно электрические поля еще больше замедляют их. [1] [4]
Стадии стохастического охлаждения и электронного охлаждения, сконструированные внутри АД, уменьшают энергию пучков, а также ограничивают пучок антипротонов от существенных искажений. Стохастическое охлаждение применяется для антипротонов при 3,5 ГэВ/с, а затем при 2 ГэВ/с, после чего следует электронное охлаждение при 0,3 ГэВ/с и 0,1 ГэВ/с. Конечный выходной пучок имеет импульс 0,1 ГэВ/c ( кинетическая энергия равна 5,3 МэВ). Эти антипротоны движутся со скоростью примерно в одну десятую скорости света. [1] [3] [7]
Но для экспериментов нужны пучки гораздо меньшей энергии (от 3 до 5 кэВ). Таким образом, антипротоны снова замедляются до ~ 5 КэВ с помощью фольг-деградаторов. На этом этапе происходит потеря 99,9% антипротонов. Собранные антипротоны затем временно сохраняются в ловушках Пеннинга ; перед тем, как его включили в несколько экспериментов AD. Ловушки Пеннинга также могут образовывать антиводород путем объединения антипротонов с позитронами . [3] [7]
ЕЛЕНА
[ редактировать ]ЕЛЕНА (Антипротон со сверхнизкой энергией) представляет собой 30-метровое гексагональное накопительное кольцо, расположенное внутри комплекса AD. [8] [9] Он предназначен для дальнейшего замедления пучка антипротонов до энергии 0,1 МэВ для более точных измерений. [10] [11] Первый луч разослал ЕЛЕНА 18 ноября 2016 года. [12] GBAR был первым экспериментом, в котором использовался луч от Елены, а остальные эксперименты AD последовали этому примеру после LS2, когда ко всем экспериментам с использованием установки будут проложены линии передачи луча от Елены. [13]
эксперименты по AD
[ редактировать ]Эксперимент | Кодовое имя | Пресс-секретарь | Заголовок | Предложенный | Одобренный | Началось | Завершенный | Связь | Веб-сайт |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
АД-1 | АФИНА | Альберто Ротонди | Производство антиводорода и прецизионные эксперименты | 20 октября 1996 г. | 12 июня 1997 г. | 6 апреля 2001 г. | 16 ноября 2004 г. | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | – |
АД-2 | ЛОВИТЬ | Джеральд Габриэльс | Холодный антиводород для точной лазерной спектроскопии | 25 марта 1997 г. | 12 июня 1997 г. | 12 февраля 2002 г. | Бег | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт заархивирован 2 августа 2016 г. в Wayback Machine. |
АД-3 | АСАКУСА | Эберхард Видманн и Масаки Хори | Атомная спектроскопия и столкновения использованием с медленных антипротонов | 7 октября 1997 г. | 20 ноября 1997 г. | 12 февраля 2002 г. | Бег | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт заархивирован 17 января 2016 г. в Wayback Machine. |
АД-4 | ТУЗ | Михаэль Хольцшайтер | Относительная биологическая эффективность и периферический ущерб аннигиляции антипротонов | 21 августа 2002 г. | 6 февраля 2003 г. | 26 января 2004 г. | 24 сентября 2013 г. | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт |
АД-5 | АЛЬФА | Джеффри Хангст | Антиводородный лазерный физический аппарат | 21 сентября 2004 г. | 2 июня 2005 г. | 18 апреля 2008 г. | Бег | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт |
АД-6 | ИЭГИС | Руджеро Каравита | Антивещество Эксперимент Гравитация Интерферометрия Спектроскопия | 8 июня 2007 г. | 5 декабря 2008 г. | 28 сентября 2014 г. | Бег | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт |
АД-7 | ГБАР | Патрис Перес | Гравитационное поведение антиводорода в покое | 30 сентября 2011 г. | 30 мая 2012 г. | 03 октября 2012 г. | Подготовка | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт заархивирован 20 августа 2016 г. в Wayback Machine. |
АД-8 | БАЗА | Стефан Ульмер | барион по антибарионной - симметрии Эксперимент | апрель 2013 г. | 5 июня 2013 г. | 9 сентября 2014 г. | Бег | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | Веб-сайт |
АД-9 | ПУМА | Александр Обертелли | антипротонная нестабильной материи аннигиляция | 29 сен 2019 г. | 17 марта 2021 г. | Н/Д | Подготовка | ВДОХНОВЛЯТЬ Серая книга | – |
АФИНА
[ редактировать ]АФИНА , эксперимент AD-1, представлял собой проект по исследованию антивещества , который проводился на Антипротонном замедлителе. , в августе 2002 года это был первый эксперимент по получению 50 000 низкоэнергетических атомов антиводорода Как сообщает журнал Nature . [14] [15] В 2005 году ATHENA была расформирована, и многие из бывших участников работали над последующим экспериментом ALPHA .
ЛОВИТЬ
[ редактировать ]Коллаборация «Антиводородная ловушка» (ATRAP), ответственная за эксперимент AD-2, является продолжением коллаборации TRAP , которая начала собирать данные для эксперимента PS196 в 1985 году. [16] [17] Эксперимент TRAP (PS196) впервые открыл холодные антипротоны , холодные позитроны и впервые заставил компоненты холодного антиводорода взаимодействовать. Позже члены ATRAP впервые применили точную водородную спектроскопию и наблюдали первые горячие атомы антиводорода.
АСАКУСА
[ редактировать ]Атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов (ASACUSA), AD-3, представляет собой эксперимент по проверке CPT-симметрии с помощью лазерной спектроскопии гелия и микроволновой спектроскопии сверхтонкой структуры антиводорода антипротонного . Он сравнивает материю и антиматерию с использованием антиводорода и антипротонного гелия и изучает столкновения материи и антиматерии. [18] [19] Он также измеряет атомные и ядерные сечения антипротонов на различных мишенях при чрезвычайно низких энергиях. [20]
ТУЗ
[ редактировать ]Эксперимент на антипротонных клетках (ACE), AD-4, начался в 2003 году. Его цель – полностью оценить эффективность и пригодность антипротонов для терапии рака . Результаты показали, что антипротонов, необходимых для разрушения опухолевых клеток, было в четыре раза меньше, чем необходимое количество протонов. Влияние антипротонов на здоровые ткани было значительно меньше. Хотя эксперимент завершился в 2013 году, дальнейшие исследования и проверки все еще продолжаются из-за длительных процедур внедрения новых методов лечения. [21] [22]
АЛЬФА
[ редактировать ]Установка для лазерной физики антиводорода (АЛЬФА), эксперимент АД-5, предназначена для захвата нейтрального антиводорода в магнитную ловушку и проведения над ними экспериментов. Конечная цель этой работы — проверить симметрию CPT путем сравнения атомных спектров водорода ) и антиводорода (см. Спектральный ряд водорода . [23] Коллаборация АЛЬФА состоит из нескольких бывших членов коллаборации ATHENA (первая группа, производившая холодный антиводород в 2002 году), а также ряда новых членов.
ИЭГИС
[ редактировать ]AEgIS, Эксперимент с антиматерией: гравитация, интерферометрия, спектроскопия, AD-6, представляет собой эксперимент на антипротонном замедлителе.AEgIS попытается определить, ли гравитация влияет на антиматерию так же, как она влияет на обычную материю , проверяя ее влияние на луч антиводорода . На первом этапе эксперимента был создан антиводород с использованием реакции перезарядки между антипротонами из антипротонного замедлителя (AD) и позитрония , производящей импульс атомов антиводорода. Эти атомы проходят через ряд дифракционных решеток , в конечном итоге ударяются о поверхность и, таким образом, аннигилируют . Точки аннигиляции антиводорода измеряются точным детектором. Области за решетками затенены, а за щелями — нет. Точки аннигиляции воспроизводят периодический рисунок светлых и затененных областей. Используя эту закономерность, можно измерить, сколько атомов с разными скоростями перемещается по вертикали под действием силы тяжести во время горизонтального полета. Следовательно, можно определить силу гравитации Земли, действующую на антиводород. [24]
ГБАР
[ редактировать ]GBAR (Гравитационное поведение антиводорода в состоянии покоя), эксперимент AD-7, является результатом международного сотрудничества на антипротонном замедлителе ЦЕРН.Целью проекта GBAR является измерение ускорения свободного падения ультрахолодных нейтральных атомов антиводорода в земном гравитационном поле . Измеряя ускорение свободного падения антиводорода и сравнивая его с ускорением обычного водорода, GBAR проверяет принцип эквивалентности, предложенный Альбертом Эйнштейном . Принцип эквивалентности гласит, что гравитационная сила, действующая на частицу, не зависит от ее внутренней структуры и состава. [25]
БАЗА
[ редактировать ]BASE (Эксперимент по барион-антибарионной симметрии), AD-8, представляет собой многонациональное сотрудничество в рамках антипротонного замедлителя ЦЕРН.
Цель японско-немецкого сотрудничества BASE [26] представляют собой высокоточные исследования фундаментальных свойств антипротона, а именно отношения заряда к массе и магнитного момента . Одиночные антипротоны хранятся в усовершенствованной системе ловушек Пеннинга , в основе которой лежит система двойной ловушки, предназначенная для высокоточных измерений частоты и для с переворотом спина спектроскопии одиночных частиц . Измеряя скорость переворота вращения как функцию частоты внешнего магнитного привода, получают резонансную кривую. Вместе с измерением циклотронной частоты извлекается магнитный момент.
ПУМА
[ редактировать ]PUMA (эксперимент по аннигиляции антипротонной нестабильной материи), AD-9, направлен на изучение квантовых взаимодействий и процессов аннигиляции между антипротонами и экзотическими медленно движущимися ядрами . Экспериментальные цели PUMA требуют транспортировки около одного миллиарда захваченных антипротонов, созданных AD и ELENA, в центр ядерной физики ISOLDE в ЦЕРН, который будет поставлять экзотические ядра. [27] Антивещество никогда раньше не вывозилось из установки AD. Проектирование и строительство ловушки для этого транспорта — самый сложный аспект сотрудничества PUMA. [28] [29] [27]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «Антипротонный замедлитель – ЦЕРН» . Проверено 21 декабря 2016 г.
- ^ «Семинар по антиводороду, Мюнхен, Германия, 30–31 июля 1992 г.» . Сверхтонкое взаимодействие. 76 (1993) 1, стр. 1–397 . Спрингер. 1993 год . Проверено 6 июля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Бэрд, ЮАР; Берлин, Д.; Бойо, Дж.; Боссер, Жак; Бруэ, М.; Батткус, Дж.; Касперс, Фридхельм; Чохан, В.; Деккерс, Дэниел (1996). Проектная проработка антипротонного замедлителя: А.Д. doi : 10.17181/cern.knxm.aykr .
- ^ Jump up to: а б с Отен, Бруно; Бэрд, ЮАР; Берлин, Д.; Бойо, Дж.; Боссер, Жак; Бруэ, М.; Касперс, Фридхельм; Шанель, М.; Чохан, В. (1995). Антипротонный замедлитель (АД), упрощенный источник антипротонов (технико-экономическое обоснование) . дои : 10.17181/cern.0w6p.8onp .
- ^ ЦЕРН. Женева. Исследовательский совет; ЦЕРН. Женева. Исследовательский совет, ред. (1997). Протокол 130-го заседания Исследовательского совета, состоявшегося в четверг, 6 февраля 1997 г. CERN-DG-RB-Протокол.
- ^ «Антипротонное кольцо низкой энергии» . ЦЕРН . Проверено 6 июля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с Эмери, JY; Мори, С. (9 августа 1999 г.). «Антипротонный замедлитель: обзор» . Ядерная физика А . 655 (1–2): c345–c352. Бибкод : 1999NuPhA.655..345H . дои : 10.1016/S0375-9474(99)00223-7 . ISSN 0375-9474 .
- ^ «ЕЛЕНА – Дом» .
- ^ Олерт, В. (2015). «Проект ЕЛЕНА в ЦЕРН». Акта Физика Полоника Б. 46 (1): 181. arXiv : 1501.05728 . Бибкод : 2015AcPPB..46..181O . дои : 10.5506/APhysPolB.46.181 . S2CID 119270123 .
- ^ Йоргенсен, Л.В.; Носыч, А; Санчес-Кесада, Дж; Харасимович, Дж; Легодек, Г; Анголетта, Мэн; Кюхлер, Д; Циклер, Т; Эрикссон, Т; Капатина, О; Доберс, Т (2014). Кольцо антипротона со сверхнизкой энергией (ЕЛЕНА) и его линии передачи: отчет о проектировании . Желтые отчеты ЦЕРН: Монографии. doi : 10.5170/CERN-2014-002 . ISBN 9789290834007 .
- ^ Мэдсен, Н. (2018). «Антипротонная физика в эпоху ЕЛЕНА» . Фил. Пер. Р. Сок. А. 376 (2116): 20170278. Бибкод : 2018RSPTA.37670278M . дои : 10.1098/rsta.2017.0278 . ПМК 5829179 . ПМИД 29459419 .
- ^ «Новое кольцо для замедления антиматерии – ЦЕРН» . Проверено 21 декабря 2016 г.
- ^ «Исключительно медленные антипротоны» . ЦЕРН . Проверено 28 февраля 2020 г. .
- ^ «Тысячи холодных антиатомов произведены в ЦЕРН» (Пресс-релиз). ЦЕРН . 18 сентября 2002 г.
- ^ Аморетти, М.; и др. (Коллаборация АФИНА) (2002). «Получение и обнаружение холодных атомов антиводорода» . Природа . 419 (6906): 456–459. Бибкод : 2002Natur.419..456A . дои : 10.1038/nature01096 . PMID 12368849 . S2CID 4315273 .
- ^ Габриэль, Г.; Фей, X.; Ороско, Л.; Тьёлкер, Р.; Хаас, Дж.; Калиновский, Х.; Трейнор, Т.; Келлс, В. (сентябрь 1990 г.). «Тысячекратное улучшение измеренной массы антипротона» . Письма о физических отзывах . 65 (11): 1317–1320. Бибкод : 1990PhRvL..65.1317G . дои : 10.1103/PhysRevLett.65.1317 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10042233 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) - ^ «Серая книга: PS196» . greybook.cern.ch . Архивировано из оригинала 9 июля 2021 года . Проверено 6 июля 2021 г.
- ^ «АСАКУСА – Генерал» . Архивировано из оригинала 22 марта 2016 года . Проверено 21 декабря 2016 г.
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 декабря 2013 года . Проверено 9 февраля 2011 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 15 апреля 2013 года . Проверено 17 февраля 2010 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «АСЕ – ЦЕРН» . Проверено 21 декабря 2016 г.
- ^ Басслер, Нильс; Алснер, Ян; Бейер, Герд; ДеМарко, Джон Дж.; Дозер, Майкл; Хайдукович, Драган; Хартли, Оливер; Ивамото, Кейсуке С.; Якель, Оливер; Кнудсен, Хельге В.; Ковачевич, Сандра (январь 2008 г.). «Антипротонная лучевая терапия» . Лучевая терапия и онкология . 86 (1): 14–19. дои : 10.1016/j.radonc.2007.11.028 . ПМИД 18158194 .
- ^ Мэдсен, Н. (2010). «Холодный антиводород: новый рубеж фундаментальной физики» . Философские труды Королевского общества А. 368 (1924): 3671–82. Бибкод : 2010RSPTA.368.3671M . дои : 10.1098/rsta.2010.0026 . ПМИД 20603376 . S2CID 12748830 .
- ^ Коллаборация Aegis (2018). «Эксперимент AEgIS» . ЦЕРН .
- ^ «ГБАР» . ЦЕРН . Проверено 29 июня 2021 г.
- ^ «официальный сайт BASE» .
- ^ Jump up to: а б Обертелли, Александр (2018). ПУМА: антипротоны и радиоактивные ядра . Меморандум. ЦЕРН. Женева. ISOLDE и Комитет по нейтронным времяпролетным экспериментам, INTC.
- ^ «Проект PUMA: Антиматерия кочует» . ЦЕРН . Проверено 11 июля 2021 г.
- ^ Ауманн, Т.; Бартманн, В.; Бувар, А.; Бойн-Франкенхайм, О.; Брош, А.; Бутин Ф.; Кальве, Д.; Карбонелл, Дж.; Чиджиато, П. (2019). ПУМА: антипротоны и радиоактивные ядра . Предложение. ЦЕРН. Женева. Комитет по экспериментам СПС и ПС, SPSC.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- ГБАР-эксперимент
- Балки в AD
- Результаты альфа-эксперимента
- Источник антипротонов AD
- Веб-сайт AD. Архивировано 2 августа 2012 г. на Wayback Machine.
- сайт АФИНА
- сайт АТРАП
- Сайт АСАКУСА
- сайт АЛЬФА
- веб-сайт AEgIS
- «Что такое AD?» . ЦЕРН . Архивировано из оригинала 15 февраля 2006 года.
- «АФИНА фигурки и картины» . ЦЕРН . Архивировано из оригинала 22 июня 2007 года.
- Рекорд для антипротонного замедлителя на INSPIRE-HEP
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Г. Гаш (12 июля 2008 г.). «Как антиматерия будет взаимодействовать с гравитацией?» . Софтпедия .
- Г. Дробычев; и др. (сотрудничество AEGIS) (8 июня 2007 г.). «Предложение об эксперименте AEGIS на антипротонном замедлителе ЦЕРН (эксперимент с антивеществом: гравитация, интерферометрия, спектроскопия)» (PDF) . ЦЕРН .
- Г. Тестера; и др. (2008). «Формирование холодного пучка антиводорода в системе AEGIS для гравитационных измерений». Материалы конференции AIP . 1037 : 5–15. arXiv : 0805.4727 . Бибкод : 2008AIPC.1037....5T . дои : 10.1063/1.2977857 . S2CID 55052697 .