АФИНА эксперимент
| ЕЛЕНА | Антипротонное кольцо сверхнизкой энергии - еще больше замедляет антипротоны, исходящие от AD. |
|---|---|
| эксперименты по AD | |
| АФИНА | АД-1 Производство антиводорода и прецизионные эксперименты |
| ЛОВИТЬ | АД-2 Холодный антиводород для точной лазерной спектроскопии |
| АСАКУСА | АД-3 Атомная спектроскопия и столкновения с антипротонами |
| ТУЗ | AD-4 Эксперимент с антипротонной клеткой |
| АЛЬФА | АД-5 Аппарат антиводородной лазерной физики |
| ИЭГИС | АД-6 Антиводородный эксперимент гравитационная интерферометрическая спектроскопия |
| ГБАР | AD-7 Гравитационное поведение покоящегося антиводорода |
| БАЗА | AD-8 Эксперимент по барионной антибарионной симметрии |
| ПУМА | AD-9 Антипротонная аннигиляция нестабильной материи |
АФИНА, также известная как эксперимент AD-1, представляла собой исследовательский проект антивещества на Антипротонном замедлителе в ЦЕРНе , Женева. , в августе 2002 года это был первый эксперимент по получению 50 000 низкоэнергетических атомов антиводорода Как сообщает журнал 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
[ редактировать ]
Аппарат ATHENA состоял из четырех основных подсистем: ловушки для улавливания антипротонов , аккумулятора позитронов, ловушки для смешивания антипротонов и позитронов и детектора аннигиляции антиводорода. Все ловушки в эксперименте представляли собой вариации ловушки Пеннинга , которая использует осевое магнитное поле для поперечного удержания заряженных частиц и серию полых цилиндрических электродов для их аксиального захвата. Улавливающая и смешивающая ловушки располагались рядом друг с другом и соосно с магнитным полем напряженностью 3 Тл от сверхпроводящего соленоида . [3] [4]
Аккумулятор позитронов имел собственную магнитную систему, тоже соленоид, с напряженностью поля 0,14 Тесла . Отдельный криогенный теплообменник в канале сверхпроводящего магнита охлаждал улавливающую и перемешивающую 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]
Ловить ловушку
[ редактировать ]Улавливающая ловушка замедлялась, захватывалась, охлаждалась и накапливала антипротоны . Для охлаждения антипротонов ловушку сначала загружали 3 × 10 8 электроны, охлаждаемые синхротронным излучением в магнитном поле напряженностью 3 Тесла. Обычно AD доставлял 2 × 10 7 антипротоны с кинетической энергией 5,3 МэВ и длительностью импульса 200 нс в эксперимент с интервалом 100 с. Антипротоны замедлялись в тонкой фольге и захватывались с помощью импульсного электрического поля . Антипротоны потеряли энергию и уравновесились с холодными электронами за счет кулоновского взаимодействия . Электроны выбрасывались до смешивания антипротонов с позитронами. Каждый выстрел AD приводил к примерно 3 × 10 3 холодные антипротоны для экспериментов по взаимодействию. [7]
Позитронный аккумулятор
[ редактировать ]Накопитель позитронов замедлял, улавливал и накапливал позитроны, испускаемые радиоактивным источником ( 1,4 × 10 9 Бк 22 На). Накопление за 300 с дает 1,5 × 10 8 позитроны, 50% которых переносились в смесительную ловушку, где охлаждались синхротронным излучением. [8]
Смешивающая ловушка
[ редактировать ]Смесительная ловушка имела осевую потенциальную конфигурацию вложенной ловушки Пеннинга, которая позволяла двум плазмам с противоположным зарядом вступать в контакт. В ATHENA сфероидальное облако позитронов может характеризоваться возбуждением и детектированием осевых плазменных колебаний. Типичные условия были: 7 × 10 7 запасенные позитроны, радиус 2 – 2,5 мм, длина 32 мм, максимальная плотность 2,5 × 10 8 см −3 . Детектор аннигиляции антиводорода располагался соосно зоне смешения, между внешним радиусом ловушки и отверстием магнита.
Детектор аннигиляции антиводорода
[ редактировать ]Детектор был разработан для предоставления однозначных доказательств образования антиводорода путем обнаружения совпадающих во времени и пространстве аннигиляций антипротона и позитрона, когда нейтральный атом антиводорода выходил из электромагнитной ловушки и попадал в электроды ловушки. Антипротон обычно аннигилирует с образованием нескольких заряженных или нейтральных пионов. Заряженные пионы регистрировались с помощью двух слоев двусторонних позиционно-чувствительных кремниевых микрополосок. Путь заряженной частицы, проходящей через оба слоя, можно было восстановить, а два или более пересекающихся трека позволили определить положение или вершину аннигиляции антипротона. Неопределенность определения вершин составляла примерно 4 мм и определялась неизмеренной кривизной траекторий заряженных пионов в магнитном поле. Временное окно совпадений составляло примерно 5 микросекунд. Телесный угол покрытия области взаимодействия составлял 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 йодида цезия, был разработан для обнаружения двухфотонных событий, состоящих из двух фотонов с энергией 511 кэВ, которые всегда излучаются друг за другом. Энергетическое разрешение детектора составляло 18% по полной ширине полувысоты при энергии 511 кэВ, а эффективность регистрации фотопиков для одиночных фотонов составляла около 20%. Максимальная скорость считывания всего детектора составляла около 40 Гц. Вспомогательные детекторы включали большие сцинтилляционные лопасти, внешние по отношению к магниту, и тонкий кремниевый диод, чувствительный к положению, через который проходил падающий пучок антипротонов, прежде чем попасть в улавливающую ловушку.
Для получения атомов антиводорода позитронную яму в области смешения заполняли примерно 7 × 10 7 позитроны и дали остыть до температуры окружающей среды (15 К ). Затем вокруг позитронной ямы формировалась вложенная ловушка. Затем примерно 104 антипротона были запущены в область смешивания путем импульсного перевода ловушки из одной потенциальной конфигурации в другую. Время перемешивания составляло 190 с, после чего все частицы сливали и процесс повторяли. События, запускающие кремниевый детектор изображения (попадание трех сторон во внешний слой), инициировали считывание как кремниевого, так и CsI-модулей.
Используя этот метод, ATHENA впервые смогла произвести несколько тысяч холодных атомов антиводорода в 2002 году. [10]
АФИНА сотрудничество
[ редактировать ]
В сотрудничество ATHENA вошли следующие учреждения: [11]
- Орхусский университет , Дания
- Университет Брешии , Италия
- ЦЕРН
- Университет Генуи , Италия
- Университет Павии , Италия
- КОРОЛЕВСТВО , Япония
- Федеральный университет Рио-де-Жанейро , Бразилия
- Университет Суонси , Великобритания
- Токийский университет , Япония
- Университет Цюриха , Швейцария
- Национальный институт ядерной физики , Италия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «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 .
- ^ Амслер, К.; Бономи, Г.; Фонтана, А.; Келлербауэр, А.; Лагомарсино, В.; Риццини, Э. Лоди; Ротонди, А.; Тестера, Г.; Вентурелли, Л.; Зурло, Н. (10 августа 2014 г.). «Эксперимент ATHENA по изучению антиводорода» . Международный журнал современной физики А. 29 (20): 1430035. Бибкод : 2014IJMPA..2930035A . дои : 10.1142/S0217751X1430035X . ISSN 0217-751X .
- ^ «Спросите экспертов» . Научный американец . 293 (3): 124. Сентябрь 2005 г. Бибкод : 2005SciAm.293c.124. . doi : 10.1038/scientificamerican0905-124 . ISSN 0036-8733 .
- ^ Фудзивара, MC; Аморетти, М.; Амслер, К.; Бономи, Г.; Бухта, А.; Боу, PD; Канали, К.; Карраро, К.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Дозер, М. (30 июля 2008 г.). «Временно контролируемая модуляция производства антиводорода и температурное масштабирование антипротон-позитронной рекомбинации» . Письма о физических отзывах . 101 (5): 053401. Бибкод : 2008PhRvL.101e3401F . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.053401 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18764390 .
- ^ Берг, М.; Хаак, М.; Кёрс, Б. (1 июня 2004 г.). «Взаимодействие бран и потоков в ориентифолдах» . Достижения физики . 52 (67): 583–589. arXiv : hep-th/0312172 . Бибкод : 2004ForPh..52..583B . дои : 10.1002/prop.200310148 . ISSN 0015-8208 . S2CID 15924007 .
- ^ Сезар, CL (2005). «Холодный антиводород в АФИНЕ: экспериментальные наблюдения и не только» . Материалы конференции AIP . 770 . Рио-де-Жанейро (Бразилия): AIP: 33–40. Бибкод : 2005AIPC..770...33C . дои : 10.1063/1.1928839 .
- ^ Фунакоши, Р.; Аморетти, М.; Бономи, Г.; Боу, PD; Канали, К.; Карраро, К.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Дозер, М.; Фонтана, А.; Фудзивара, MC (19 июля 2007 г.). «Методы управления позитронной плазмой для получения холодного антиводорода» . Физический обзор А. 76 (1): 012713. Бибкод : 2007PhRvA..76a2713F . дои : 10.1103/PhysRevA.76.012713 . ISSN 1050-2947 .
- ^ Аморетти, М.; Амслер, К.; Бономи, Г.; Бухта, А.; Боу, PD; Карраро, К.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Дозер, М.; Филиппини, В.; Фонтана, А. (февраль 2004 г.). «Получение и обнаружение холодных атомов антиводорода» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 518 (1–2): 244–248. Бибкод : 2004NIMPA.518..244A . дои : 10.1016/j.nima.2003.10.072 .
- ^ 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 .
- ^ «Коллаборация АФИНА» . ЦЕРН . Архивировано из оригинала 1 марта 2012 года . Проверено 1 февраля 2010 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Рекорд эксперимента ATHENA на INSPIRE-HEP