Experimento ATHENA
| ELENA | Anillo de antiprotón de energía extra baja: desacelera aún más los antiprotones que provienen de la EA |
|---|---|
| Experimentos de AD | |
| ATENEA | Experimentos de precisión y producción de antihidrógeno |
| UNA TRAMPA | Antihidrógeno frío para una espectroscopia láser precisa |
| ASACUSA | Espectroscopía atómica y colisiones con antiprotones lentos |
| AS | Experimento de células antiprotón |
| ALFA | Aparato de física láser antihidrógeno |
| Égida | Espectroscopia de interferometría de gravedad del experimento antihidrógeno |
| GBAR | Comportamiento gravitacional del antihidrógeno en reposo |
| BASE | Experimento de simetría de barión y antibiótico |
| PUMA | Aniquilación de materia inestable antiProtón |
ATHENA, el experimento AD-1, fue un proyecto de investigación de antimateria en el Antiproton Decelerator en el CERN , Ginebra. En agosto de 2002, fue el primer experimento en producir 50.000 átomos de antihidrógeno de baja energía , como se informó en Nature . [1] [2] En 2005, ATHENA se disolvió y muchos de los antiguos miembros trabajaron en el experimento ALPHA posterior .
Configuración experimental
El aparato ATHENA comprende cuatro subsistemas principales: la trampa de captura de antiprotones , el acumulador de positrones, la trampa de mezcla de antiprotones / positrones y el detector de aniquilación de antihidrógeno. Todas las trampas del experimento son variaciones de la trampa de Penning , que utiliza un campo magnético axial para confinar transversalmente las partículas cargadas, y una serie de electrodos cilíndricos huecos para atraparlas axialmente. Las trampas de captura y mezcla están adyacentes entre sí y son coaxiales con un campo magnético de 3 T de un solenoide superconductor .
El acumulador de positrones tiene su propio sistema magnético, también un solenoide, de 0.14 T.Un intercambiador de calor criogénico separado en el orificio del imán superconductor enfría las trampas de captura y mezcla a aproximadamente 15 K. El aparato ATHENA presenta un diseño modular abierto que permite una gran flexibilidad experimental, particularmente al introducir un gran número de positrones en el aparato.
Atrapando trampa
La trampa de captura ralentiza, atrapa, enfría y acumula antiprotones . Para enfriar los antiprotones, la trampa de captura se carga primero con3 × 10 8 electrones, que se enfrían por radiación de sincrotrón en el campo magnético de 3 T. Normalmente, el AD ofrece2 × 10 7 antiprotones que tienen una energía cinética de 5,3 MeV y una duración de pulso de 200 ns para el experimento a intervalos de 100 s. Los antiprotones se ralentizan en una lámina delgada y se atrapan mediante un campo eléctrico pulsado . Los antiprotones pierden energía y se equilibran con los electrones fríos por interacción de Coulomb . Los electrones se expulsan antes de mezclar los antiprotones con los positrones. Cada disparo de AD resulta en aproximadamente3 × 10 3 antiprotones fríos para experimentos de interacción.
Acumulador de positrones
El acumulador de positrones se ralentiza, atrapa y acumula positrones emitidos por una fuente radiactiva (1.4 × 10 9 Bq 22 Na). La acumulación durante 300 s produce 1.5 × 10 8 positrones, el 50% de los cuales se transfieren con éxito a la trampa de mezcla, donde se enfrían por radiación de sincrotrón.
Trampa de mezcla
La trampa de mezcla tiene la configuración de potencial axial de una trampa de Penning anidada, que permite que entren en contacto dos plasmas de carga opuesta. En ATHENA, la nube de positrones esferoidal se puede caracterizar por excitar y detectar oscilaciones plasmáticas axiales. Las condiciones típicas son:7 × 10 7 positrones almacenados, un radio de 2 - 2,5 mm, una longitud de 32 mm y una densidad máxima de 2.5 × 10 8 cm −3 . La clave para las observaciones reportadas aquí es el detector de aniquilación de antihidrógeno (Fig. 1a), situado coaxialmente con la región de mezcla, entre el radio exterior de la trampa y el orificio del imán.
Detector de aniquilación antihidrógeno
El detector está diseñado para proporcionar evidencia inequívoca de la producción de antihidrógeno al detectar las aniquilaciones coincidentes temporal y espacialmente del antiprotón y el positrón cuando un átomo de antihidrógeno neutro escapa de la trampa electromagnética y golpea los electrodos de la trampa. Un antiprotón típicamente se aniquila en unos pocos piones cargados o neutros. Los piones cargados son detectados por dos capas de microbandas de silicio de doble cara, sensibles a la posición. La trayectoria de una partícula cargada que pasa a través de ambas capas se puede reconstruir y dos o más pistas que se cruzan permiten determinar la posición, o vértice, de la aniquilación del antiprotón. La incertidumbre en la determinación del vértice es de aproximadamente 4 mm y está dominada por la curvatura no medida de los piones cargados.'trayectorias en el campo magnético. La ventana de coincidencia temporal es de aproximadamente 5 microsegundos. La cobertura del ángulo sólido de la región de interacción es aproximadamente el 80% de 4π.
Un positrón que se aniquila con un electrón produce dos o tres fotones . El detector de positrones, que consta de 16 filas que contienen cada una 12 cristales centelleantes de yoduro de cesio puro, está diseñado para detectar los eventos de dos fotones, que consta de dos fotones de 511 keV que siempre se emiten uno tras otro. La resolución de energía del detector es 18% FWHM a 511 keV, y la eficiencia de detección de fotopicos para fotones individuales es de aproximadamente 20%. La velocidad máxima de lectura de todo el detector es de unos 40 Hz. Los detectores auxiliares incluyen grandes paletas de centelleo externas al imán y un diodo de silicio delgado, sensible a la posición, a través del cual pasa el haz de antiprotón incidente antes de entrar en la trampa de captura.
Para producir átomos de antihidrógeno, un pocillo de positrones en la región de mezcla se llena con aproximadamente 7 × 10 7 positrones y se dejó enfriar a temperatura ambiente (15 grados Kelvin). A continuación, se forma la trampa anidada alrededor del pozo de positrones. A continuación, se lanzan aproximadamente 104 antiprotones a la región de mezcla pulsando la trampa desde una configuración potencial (línea discontinua, figura 1b) a otra (línea continua). El tiempo de mezcla es de 190 s, después de lo cual se vierten todas las partículas y se repite el proceso. Los eventos que activan el detector de silicio de imágenes (tres lados golpeados en la capa exterior) inician la lectura de los módulos de silicio y CsI.
Con este método, ATHENA pudo producir, por primera vez, varios miles de átomos de antihidrógeno fríos en 2002. [3]
Colaboración ATHENA
La colaboración de ATHENA estuvo integrada por las siguientes instituciones: [4]
- Universidad de Aarhus , Dinamarca
- Universidad de Brescia , Italia
- CERN
- Universidad de Génova , Italia
- Universidad de Pavía , Italia
- RIKEN , Japón
- Universidad Federal de Rio de Janeiro , Brasil
- Universidad de Swansea , Reino Unido
- Universidad de Tokio , Japón
- Universidad de Zurich , Suiza
- Instituto Nacional de Física Nuclear , Italia
Referencias
- ^ "Miles de anti-átomos fríos producidos en el CERN" (Comunicado de prensa). CERN . 18 de septiembre de 2002.
- ↑ Amoretti, M .; et al. (Colaboración ATHENA) (2002). "Producción y detección de átomos de antihidrógeno fríos" . Naturaleza . 419 (6906): 456–459. Código Bibliográfico : 2002Natur.419..456A . doi : 10.1038 / nature01096 . PMID 12368849 . S2CID 4315273 .
- ↑ Amoretti, M .; et al. (Colaboración ATHENA) (febrero de 2004). "El aparato antihidrógeno ATHENA". Instrumentos y métodos nucleares en la Investigación Física Sección A . 518 (3): 679–711. Código bibliográfico : 2004NIMPA.518..679A . CiteSeerX 10.1.1.467.7912 . doi : 10.1016 / j.nima.2003.09.052 .
- ^ "La colaboración de ATHENA" . CERN . Archivado desde el original el 1 de marzo de 2012 . Consultado el 1 de febrero de 2010 .
- Experimentos de partículas
- Experimentos CERN
