ATHENA-experiment
| ELENA | Extra lågenergi antiprotonring – bromsar ytterligare antiprotoner som kommer från AD |
|---|---|
| AD-experiment | |
| ATHENA | AD-1 Antiväteproduktion och precisionsexperiment |
| EN FÄLLA | AD-2 Kall antiväte för exakt laserspektroskopi |
| ASACUSA | AD-3 Atomspektroskopi och kollisioner med antiprotoner |
| ESS | AD-4 Antiprotoncellexperiment |
| ALFA | AD-5 Antivätelaserfysikapparat |
| AEgIS | AD-6 Antiväteexperiment gravitationsinterferometrispektroskopi |
| GBAR | AD-7 Gravitationsbeteende hos antiväte i vila |
| BAS | AD-8 Baryon antibaryonsymmetriexperiment |
| PUMA | AD-9 Antiproton instabil materia förintelse |
ATHENA, även känt som AD-1-experimentet, var ett antimateriaforskningsprojekt vid Antiproton Decelerator vid CERN , Genève. I augusti 2002 var det det första experimentet att producera 50 000 lågenergi- antiväteatomer , som rapporterats i Nature . 2005 upplöstes ATHENA och många av de tidigare medlemmarna i forskargruppen arbetade på det efterföljande ALPHA-experimentet .
Experimentuppställning
ATHENA-apparaten bestod av fyra huvuddelsystem: antiprotonfångningsfällan , positronackumulatorn, antiproton/positron-blandningsfällan och antiväteförintelsedetektorn. Alla fällor i experimentet var varianter av Penning-fällan , som använder ett axiellt magnetfält för att i tvärriktningen begränsa de laddade partiklarna, och en serie ihåliga cylindriska elektroder för att fånga dem axiellt. Fångst- och blandningsfällorna låg intill varandra och koaxiala med ett 3 T magnetfält från en supraledande solenoid .
Positronackumulatorn hade ett eget magnetsystem, även det en solenoid, med en fältstyrka på 0,14 Tesla . En separat kryogen värmeväxlare i hålet i den supraledande magneten kylde fångst- och blandningsfällorna till cirka 15 K. ATHENA-apparaten hade en öppen, modulär design som möjliggjorde experimentell flexibilitet, särskilt när det gällde att införa ett stort antal positroner i apparaten.
Fångande fälla
Fångstfällan saktade, fångade, kylde och samlade antiprotoner . För att kyla antiprotoner laddades fångstfällan först med 3 × 10 8 elektroner, som kyldes av synkrotronstrålning i magnetfältet 3 Tesla. Typiskt levererade AD 2 × 107 . antiprotoner med kinetisk energi 5,3 MeV och en pulslängd på 200 ns till experimentet med 100 s intervaller Antiprotonerna bromsades i en tunn folie och fångades med hjälp av ett pulsat elektriskt fält . Antiprotonerna förlorade energi och kom i jämvikt med de kalla elektronerna genom Coulomb-interaktion . Elektronerna kastades ut innan antiprotonerna blandades med positroner. Varje AD-skott resulterade i cirka 3 × 10 3 kalla antiprotoner för interaktionsexperiment.
Positron ackumulator
Positronackumulatorn bromsade, fångade och ackumulerade positroner som emitterades från en radioaktiv källa (1,4 × 10 9 Bq 22 Na ). Ackumulering under 300 s ger 1,5 × 10 8 positroner, varav 50 % överfördes till blandningsfällan, där de kyldes av synkrotronstrålning.
Blandningsfälla
Blandningsfällan hade den axiella potentialkonfigurationen av en kapslad Penning-fälla, som tillät två plasma med motsatt laddning att komma i kontakt. I ATHENA kunde det sfäroidala positronmolnet kännetecknas av att excellera och detektera axiella plasmaoscillationer. Typiska förhållanden var: 7 × 10 7 lagrade positroner, en radie på 2 – 2,5 mm, en längd på 32 mm och en maximal densitet på 2, 5 × 10 8 cm −3 . En antiväteförintelsedetektor var placerad koaxiellt med blandningsområdet, mellan fällans yttre radie och magnethålet.
Antiväteförintelsedetektor
Detektorn designades för att ge entydiga bevis för antiväteproduktion genom att detektera de temporärt och spatialt sammanfallande förintelsen av antiprotonen och positronen när en neutral antiväteatom flydde den elektromagnetiska fällan och träffade fällelektroderna. En antiproton förintas vanligtvis till ett fåtal laddade eller neutrala pioner. De laddade pionerna detekterades av två lager av dubbelsidiga, positionskänsliga, kiselmikrostrips. Banan för en laddad partikel som passerar genom båda skikten kunde rekonstrueras, och två eller flera korsande spår möjliggjorde bestämning av positionen, eller vertex, för antiprotonförintelsen. Osäkerheten i vertexbestämningen var cirka 4 mm och domineras av den omätta krökningen av de laddade pionernas banor i magnetfältet. Det tidsmässiga koincidensfönstret var cirka 5 mikrosekunder. Rymdvinkeltäckningen för interaktionsområdet var cirka 80 % av 4π.
En positron som förintas med en elektron ger två eller tre fotoner . Positrondetektorn, som omfattar 16 rader som var och en innehåller 12 scintillerande, rena cesiumjodidkristaller, designades för att detektera tvåfotonhändelserna, bestående av två 511 keV-fotoner som alltid emitteras rygg mot rygg. Detektorns energiupplösning var 18 % full bredd och halva maximum vid 511 keV, och fototoppdetektionseffektiviteten för enstaka fotoner var cirka 20 %. Den maximala avläsningshastigheten för hela detektorn var cirka 40 Hz. Hjälpdetektorer inkluderade stora scintillatorpaddlar utanför magneten och en tunn, positionskänslig, kiseldiod genom vilken den infallande antiprotonstrålen passerade innan den gick in i fångstfällan.
För att producera antiväteatomer fylldes en positronbrunn i blandningsregionen med cirka 7 × 10 7 positroner och fick svalna till omgivningstemperaturen (15 grader Kelvin). Den kapslade fällan bildades sedan runt positronbrunnen. Därefter lanserades cirka 104 antiprotoner in i blandningsområdet genom att fällan pulsades från en potentiell konfiguration till en annan. Blandningstiden är 190 s, varefter alla partiklar dumpades och processen upprepades. Händelser som utlöste den avbildande kiseldetektorn (tre sidor träffade i det yttre lagret) initierade avläsning av både kisel- och CsI-modulerna.
Med denna metod kunde ATHENA – för första gången – producera flera tusen kalla antiväteatomer 2002.
ATHENA-samarbete
ATHENA-samarbetet omfattade följande institutioner:
- Aarhus Universitet , Danmark
- Universitetet i Brescia , Italien
- CERN
- Universitetet i Genua , Italien
- Universitetet i Pavia , Italien
- RIKEN , Japan
- Federal University of Rio de Janeiro , Brasilien
- Swansea University , Storbritannien
- Tokyos universitet , Japan
- Universitetet i Zürich , Schweiz
- National Institute for Nuclear Physics, Italien
externa länkar
- Rekord för ATHENA -experimentet på INSPIRE-HEP