Lista de instalaciones nucleares y de partículas actuales en el CERN | |
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LHC | Acelera los iones de hidrógeno negativos |
LEIR | Choca protones o iones pesados |
SPS | Acelera los iones |
PSB | Acelera protones o iones |
PD | Acelera protones o iones |
Linac | Acelera protones o iones |
Linac-2 | Inyecta protones en PS |
Linac-3 | Inyecta protones en PS |
Linac4 | Acelera los iones |
ANUNCIO | Decelera los antiprotones |
ELENA | Decelera los antiprotones |
ISOLDE | Produce haces de iones radiactivos. |
El Antiproton Decelerator ( AD ) es un anillo de almacenamiento en el laboratorio del CERN cerca de Ginebra . [1] Fue construido a partir del colector de antiprotones (AC) para ser un sucesor del anillo de antiprotones de baja energía (LEAR) y comenzó a funcionar en el año 2000. Los antiprotones se crean al incidir un haz de protones del sincrotón de protones en un objetivo metálico. . El AD desacelera los antiprotones resultantes a una energía de 5,3 MeV, que luego se expulsan a uno de varios experimentos conectados.
Los principales objetivos de los experimentos en AD son observar espectroscópicamente el antihidrógeno y estudiar los efectos de la gravedad sobre la antimateria. Aunque cada experimento en la EA tiene objetivos variados que van desde probar la antimateria para la terapia del cáncer hasta la simetría CPT y la investigación de la antigravedad .
De 1982 a 1996, el CERN operó el anillo antiprotón de baja energía (LEAR) , a través del cual se llevaron a cabo varios experimentos con antiprotones de movimiento lento. Durante las etapas finales de LEAR, la comunidad física involucrada en esos experimentos de antimateria quería continuar sus estudios con los antiprotones lentos. La motivación para construir el AD surgió del Taller de Antihidrógeno celebrado en Munich en 1992. [2] [3] Esta idea se llevó adelante rápidamente y el estudio de viabilidad de AD se completó en 1995. [4]
En 1996, el Consejo del CERN pidió a la división Proton Synchrotron (PS) que estudiara la posibilidad de generar haces lentos de antiprotones. La división de PS elaboró un estudio de diseño en 1996 con la solución para utilizar el colector de antiprotones (AC) y transformarlo en una sola máquina desaceleradora de antiprotones. El AD fue aprobado en febrero de 1997. [5] [6]
La modificación de CA, la instalación de AD y el proceso de puesta en marcha se llevaron a cabo en los siguientes tres años. A fines de 1999, el anillo de CA se transformó en un desacelerador y un sistema de enfriamiento, formando el Antiproton Decelerator. [3] [7]
El perímetro de forma ovalada de AD tiene cuatro secciones rectas donde se colocan los sistemas de desaceleración y enfriamiento. Hay varios imanes dipolo y cuadrupolo en estas secciones para evitar la dispersión del haz . Los antiprotones se enfrían y desaceleran en un solo ciclo de 100 segundos en el sincrotrón AD. [3]
La EA requiere aproximadamente protones de impulso para producir antiprotones por minuto. Los protones de alta energía que provienen del sincrotrón de protones se hacen chocar con una barra delgada y muy densa de iridio metálico de 3 mm de diámetro y 55 cm de longitud. [3] La varilla de iridio incrustada en grafito y encerrada por una caja sellada de titanio refrigerada por agua permanece intacta. Pero las colisiones crean muchas partículas energéticas, incluidos los antiprotones. Una lente magnética de tipo cuerno de aluminio bicónico recoge los antiprotones que emergen del objetivo. Este colector absorbe los antiprotones y se separan de otras partículas mediante la desviación a través de fuerzas electromagnéticas. [3][4]
Los radiofrecuencia sistemas (RF) Llevar a cabo las tareas de la desaceleración y el agrupamiento de antiprotones enfrió a 3.5GeV / c. Hay numerosos imanes en el interior, que enfocan y doblan el antiprotón que se mueve aleatoriamente en un rayo colimado . Simultáneamente, los campos eléctricos los desaceleran. [1] [4]
Las etapas de enfriamiento estocástico y de enfriamiento de electrones diseñadas dentro del AD disminuyen la energía de los haces y limitan el haz antiprotón de cualquier distorsión significativa. Se aplica enfriamiento estocástico para antiprotones a 3.5GeV / cy luego a 2 GeV / c, seguido por enfriamiento de electrones a 0.3 GeV / cy 0.1 GeV / c. El haz de salida final tiene un momento de 0.1GeV / C ( energía cinética igual a 5.3MeV). Estos antiprotones se mueven con una velocidad de aproximadamente una décima parte de la de la luz. [1] [3] [7]
Pero los experimentos necesitan haces de energía mucho más bajos (3 a 5 KeV). Entonces, los antiprotones se desaceleran nuevamente a ~ 5 KeV, utilizando las láminas degradadoras. Este paso explica la pérdida del 99,9% de antiprotones. Los antiprotones recolectados luego se almacenan temporalmente en las trampas de Penning ; antes de incorporarse a los diversos experimentos de EA. Las trampas de Penning también pueden formar antihidrógeno combinando antiprotones con positrones . [3] [7]
ELENA ( Extra Low ENergy Antiproton ) es un anillo de almacenamiento hexagonal de 30 m situado dentro del complejo AD. [8] [9] Está diseñado para desacelerar aún más el haz de antiprotón a una energía de 0,1 MeV para obtener mediciones más precisas. [10] [11] El primer haz circuló ELENA el 18 de noviembre de 2016. [12] Se espera que el anillo esté en pleno funcionamiento al final del Long Shutdown 2 (LS2) en 2021. GBAR fue el primer experimento en utilizar un haz de ELENA, con el resto de los experimentos de AD siguiendo su ejemplo después de LS2 cuando las líneas de transferencia de haz de ELENA se habrán colocado en todos los experimentos que utilicen la instalación. [13]
Los experimentos AD y ELENA requieren antiprotones de aproximadamente 3 a 5 KeV de energía, adecuados para atraparlos en las trampas de Penning . El AD produce antiprotones de energía de 5,3 MeV que luego se desaceleran a ~ 5keV utilizando las láminas degradadoras en cada una de las configuraciones experimentales. Esto da como resultado una pérdida de aproximadamente el 99,9% de antiprotones. El anillo ELENA con su eficiente método de enfriamiento y desaceleración del haz está destinado a aumentar el número efectivo de antiprotones que podrían estar disponibles para los experimentos de antimateria. [8] [14]
ELENA entregará antiprotones a 100 KeV (en comparación con la energía del haz de 5,3 MeV de AD). El ciclo del haz a través del anillo ELENA es de ~ 20 segundos de duración, mientras que desacelera los antiprotones de 5.3MeV a 100KeV. Estos antiprotones aún requieren una mayor desaceleración por los propios experimentos que utilizan la lámina degradadora. Pero una menor cantidad de desaceleración a través de láminas degradadas finalmente aumentaría la eficiencia. A través de ELENA, ATRAP, ALPHA y AeGIS duplicarán el número de antiprotones. [8] [15] Mientras que ASACUSA, que utiliza cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQD) y una lámina ultradegradante para la desaceleración, recibirá un aumento de diez veces en el número de sus antiprotones. [8]
A diferencia de AD, que puede administrar antiprotones a solo un experimento a la vez, ELENA es capaz de administrar hasta cuatro experimentos simultáneamente. Por lo tanto, se proponen nuevos experimentos como el microscopio de reacción ReMi.
El primer paso de desaceleración en ELENA utiliza una cavidad de radiofrecuencia y reduce la energía de los antiprotones de 5,3 MeV a ~ 0,65 MeV. Durante este paso, el haz se desagrega y se usa el método de enfriamiento de electrones para disminuir la emitancia del haz , lo que permite la preservación de la intensidad del haz. Al final de este procedimiento, el haz de 0,65 MeV se vuelve a agrupar y se desacelera aún más a 0,1 MeV mediante su desacoplamiento y la aplicación de enfriamiento de electrones. [9] [16]
Durante el período de tiempo de puesta en servicio, AD se utilizó activamente en sus experimentos, sus haces no estaban disponibles regularmente para las pruebas de ELENA. Por lo tanto, una fuente de iones desarrollado en Julich Forschungszentrum en Alemania y la producción y se utilizó iones. [17]
Experimentar | Nombre clave | Portavoz | Título | Propuesto | Aprobado | Empezó | Terminado | Enlace | Sitio web |
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AD-1 | ATENEA | Alberto Rotondi | Experimentos de precisión y producción de antihidrógeno | 20 de octubre de 1996 | 12 de junio de 1997 | 6 de abril de 2001 | 16 de noviembre de 2004 | Libro gris INSPIRE | - |
AD-2 | UNA TRAMPA | Gerald Gabrielse | Antihidrógeno frío para una espectroscopia láser precisa | 25 de marzo de 1997 | 12 de junio de 1997 | 12 de febrero de 2002 | Corriendo | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-3 | ASACUSA | Eberhard Widmann y Masaki Hori | Un Tomic s pectroscopy un nd c ollisions u cantar s bajo una ntiprotons | 7 de octubre de 1997 | 20 de noviembre de 1997 | 12 de febrero de 2002 | Corriendo | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-4 | AS | Michael Holzscheiter | Eficacia biológica relativa y daño periférico de la aniquilación del antiprotón | 21 agosto 2002 | 6 de febrero de 2003 | 26 de enero de 2004 | 24 de sep. De 2013 | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-5 | ALFA | Jeffrey Hangst | A ntihydrogen l aser ph ysics un pparatus | 21 de septiembre de 2004 | 2 junio 2005 | 18 de abril de 2008 | Corriendo | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-6 | Égida | Michael Doser | A ntihydrogen e Xperiment g Ravity i nterferometry s pectroscopy | 8 de junio de 2007 | 5 de diciembre de 2008 | 28 de septiembre de 2014 | Corriendo | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-7 | GBAR | Patrice Pérez | G ravitational B ehaviour de A nti-hidrógeno en R est | 30 de septiembre de 2011 | 30 de mayo de 2012 | 03 octubre 2012 | Preparación | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-8 | BASE | Stefan Ulmer | B Aryon Un ntibaryon S ymmetry E Xperiment | Abr. De 2013 | 5 de junio de 2013 | 9 de septiembre de 2014 | Corriendo | Libro gris INSPIRE | Sitio web |
AD-9 | PUMA | Alexandre Obertelli | contra P roton U nstable M atter A nnihilation | 29 de sep de 2019 | 17 marzo 2021 | N / A | Preparación | Libro gris INSPIRE | - |
ATHENA , el experimento AD-1, fue un proyecto de investigación de antimateria que tuvo lugar en el Antiproton Decelerator. En agosto de 2002, fue el primer experimento en producir 50.000 átomos de antihidrógeno de baja energía , como se informó en Nature . [18] [19] En 2005, ATHENA se disolvió y muchos de los antiguos miembros trabajaron en el experimento ALPHA posterior .
La colaboración Antihydrogen Trap (ATRAP), responsable del experimento AD-2, es una continuación de la colaboración TRAP , que comenzó a tomar datos para el experimento PS196 en 1985. [20] [21] El experimento TRAP (PS196) fue pionero en antiprotones fríos , positrones fríos , y primero hizo que los ingredientes del antihidrógeno frío interactuaran. Más tarde, los miembros de ATRAP fueron pioneros en la espectroscopia de hidrógeno precisa y observaron los primeros átomos calientes de antihidrógeno.
Espectroscopía atómica y colisiones con antiprotones lentos (ASACUSA), AD-3, es un experimento que prueba la simetría CPT mediante espectroscopía láser de helio antiprotónico y espectroscopía de microondas de la estructura hiperfina del antihidrógeno . Compara la materia y la antimateria utilizando helio antihidrógeno y antiprotónico y examina las colisiones materia-antimateria. [22] [23] También mide secciones transversales atómicas y nucleares de antiprotones en varios objetivos a energías extremadamente bajas. [24]
El Antiproton Cell Experiment (ACE), AD-4, se inició en 2003. Su objetivo es evaluar plenamente la eficacia y la idoneidad de los antiprotones para la terapia del cáncer . Los resultados mostraron que los antiprotones necesarios para descomponer las células tumorales eran cuatro veces menores que la cantidad de protones necesarios. El efecto sobre los tejidos sanos debido a los antiprotones fue significativamente menor. Aunque el experimento finalizó en 2013, aún continúan las investigaciones y la validación, debido a los largos procedimientos de incorporación de nuevos tratamientos médicos. [25] [26]
En 1947, Robert R. Wilson introdujo la terapia de haz de partículas, como pesada partículas cargadas tienden a tener un rango finito en agua (por lo tanto, en el cuerpo humano) y un perfil de dosis de profundidad ventajosa en comparación con la de los electrones o los rayos X . Siguiendo estas ideas, comenzó la búsqueda de una partícula "ideal" para la terapia del cáncer. Y la colaboración ACE se estableció para medir y comparar la efectividad biológica relativa de protones y antiprotones. [27]
El aparato de física de láser antihidrógeno (ALPHA), el experimento AD-5, está diseñado para atrapar antihidrógeno neutro en una trampa magnética y realizar experimentos con ellos. El objetivo final de este esfuerzo es probar la simetría CPT mediante la comparación de los espectros atómicos de hidrógeno y antihidrógeno (ver series espectrales de hidrógeno ). [28] La colaboración ALPHA consta de algunos antiguos miembros de la colaboración ATHENA (el primer grupo en producir antihidrógeno frío, en 2002), así como varios miembros nuevos.
AEgIS, Antimateria Experiment: gravity, interferometry, spectroscopy, AD-6, es un experimento en el Antiproton Decelerator. AEgIS intentaría determinar si la gravedad afecta a la antimateria de la misma manera que afecta a la materia probando su efecto en un haz de antihidrógeno . La primera fase del experimento crea antihidrógeno: los antiprotones del desacelerador de antiprotones se acoplan con positrones , lo que genera un pulso de átomos de antihidrógeno que viajan horizontalmente. Estos átomos se envían a través de una serie de rejillas de difracción , que finalmente golpean una superficie y, por lo tanto, aniquilan. Los puntos donde se aniquila el antihidrógeno se miden con un detector preciso. Las áreas detrás de las rejillas están sombreadas, mientras que las que están detrás de las ranuras no. Los puntos de aniquilación reproducen un patrón periódico de áreas de luz y sombra. Usando este patrón, se puede medir cuántos átomos de diferentes velocidades caen durante el vuelo horizontal. Por lo tanto, se puede determinar la fuerza gravitacional de la Tierra sobre el antihidrógeno. [29]
GBAR (Comportamiento gravitacional del anti-hidrógeno en reposo), experimento AD-7, es una colaboración multinacional en el Antiproton Decelerator del CERN. El proyecto GBAR tiene como objetivo medir la aceleración en caída libre de átomos de antihidrógeno neutros ultrafríos en el campo gravitacional terrestre . Al medir la aceleración en caída libre del anti-hidrógeno y compararla con la aceleración del hidrógeno normal, GBAR está probando el principio de equivalencia propuesto por Albert Einstein . El principio de equivalencia dice que la fuerza gravitacional sobre una partícula es independiente de su estructura y composición internas. [30]
BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), AD-8, es una colaboración multinacional en Antiproton Decelerator del CERN. El objetivo de la colaboración BASE entre Japón y Alemania [31] son las investigaciones de alta precisión de las propiedades fundamentales del antiprotón, a saber, la relación carga-masa y el momento magnético . Los antiprotones individuales se almacenan en un avanzado sistema de trampa Penning , que tiene un sistema de trampa doble en su núcleo, para mediciones de frecuencia de alta precisión y para espectroscopía de giro de partículas individuales.. Al medir la velocidad de giro del giro en función de la frecuencia de un impulsor magnético aplicado externamente, se obtiene una curva de resonancia. Junto con una medición de la frecuencia del ciclotrón, se extrae el momento magnético.
El PUMA (experimento de aniquilación de materia inestable antiProtón), AD-9, tiene como objetivo investigar las interacciones cuánticas y los procesos de aniquilación entre los antiprotones y los núcleos exóticos de movimiento lento . Los objetivos experimentales de PUMA requieren que alrededor de mil millones de antiprotones atrapados fabricados por AD y ELENA sean transportados a la instalación de física nuclear ISOLDE en el CERN, que abastecerá a los núcleos exóticos. [32] Nunca antes se había transportado antimateria fuera de la instalación de AD. Diseñar y construir una trampa para este transporte es el aspecto más desafiante para la colaboración de PUMA. [33] [34] [32]
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( ayuda )Coordenadas : 46 ° 14'02 "N 6 ° 02'47" E / 46.23389 ° N 6,04639 ° E / 46.23389; 6.04639