In dem Experiment erhielt ASACUSA eine Anti-Wasserstoff-Produktionslinie • Igor Ivanov • Science News zu "Elementen" • Physik

In dem Experiment hat ASACUSA eine Anti-Wasserstoff-Produktionslinie erworben

Abb. 1. Gesamtansicht der ASACUSA-Installation am CERN, entwickelt zur Gewinnung und Untersuchung von Antiwasserstoff. Bild von cds.cern.ch

Eine der Gruppen, die Antimaterie-Eigenschaften am CERN untersucht, ASACUSA, berichtet, dass nach einer Dekade der Entwicklung und technische Vorbereitung, ihre Installation begonnen hat, Antiwasserstoff zu produzieren. Das Hauptziel dieses Experiments ist es, die Größe der Hyperfeinspaltung in Antiwasserstoff zu messen, das Ergebnis mit Wasserstoff zu vergleichen und dabei den Unterschied zwischen ihren Energieniveaus zu ermitteln. Im Falle eines positiven Ergebnisses wird dies radikale Konsequenzen für die moderne Physik der Mikrowelt haben.

Warum Antiwasserstoff studieren?

Neulich in einer Zeitschrift Naturkommunikationen Ein Artikel über die erfolgreiche Synthese von Anti-Wasserstoff im ASACUSA-Experiment (Abb. 1) wurde veröffentlicht – eines der Experimente am CERN, die Antimaterie untersuchen. In der Tat ist Anti-Wasserstoff an sich keine Nachricht mehr, siehe einen kurzen Ausflug in die Geschichte der Antimaterieforschung im nächsten Abschnitt dieser Nachrichten, sowie die thematische Seite auf der CERN-Website. Aber das ASACUSA-Experiment, dessen Name steht Atomspektroskopie und Kollisionen mit langsamen Antiprotonen ("Atomspektroskopie und Kollisionen mit der Verwendung von langsamen Antiprotonen"), setzt Ziele, die für andere Experimente unzugänglich sind. Darin werden Physiker unter anderem sehr genaue spektroskopische Messungen von Antiwasserstoff durchführen und die Ergebnisse mit Wasserstoff vergleichen. Wenn Unterschiede zwischen den Energieniveaus von Wasserstoff und Antiwasserstoff gefunden werden, wird dieser Fund ein revolutionäres Ergebnis für die Teorphysik sein.

Zunächst einmal lohnt es sich zu erklären, warum solch eine scheinbar "langweilige" Atomphysik so weitreichende Konsequenzen für das Gerät der Mikrowelt haben kann. Tatsache ist, dass es in der Physik der Elementarteilchen eine sehr wichtige Aussage gibt, die in ihrer einfachsten Form so klingt: Alle wesentlichen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen müssen übereinstimmen. Teilchen und Antiteilchen können sich geringfügig in Winkelverteilungen oder anderen Präferenzen in Zerfällen oder Kollisionen unterscheiden, aber die Integraleigenschaften müssen gleich sein. In der Quantentheorie wird dies CPT-Symmetrie genannt (siehe seine populäre Beschreibung), und fast alle Theorien der Teilcheninteraktion, sei es das Standardmodell oder die zahlreichen Varianten der Neuen Physik, besitzen diese Symmetrie wirklich.Wenn es auf Antimaterie-Atome angewendet wird, bedeutet dies, dass alle Energieniveaus in Wasserstoff und Antiwasserstoff gleich sein sollten.

Es gibt jedoch eine Klasse von Theorien, die eine Verletzung der CPT-Symmetrie erlauben. Diese Verletzung ist jedoch aus einem Grund gegeben: Neben der CPT-Symmetrie muss man "brechen" und die Lorentz-Invarianz-Theorie (diese Möglichkeit ergibt sich insbesondere in der Theorie der Superstrings), dh man muss einige völlig radikale Annahmen über die Eigenschaften der physikalischen Welt treffen. Dann wird die Spektroskopie von Wasserstoff und Antiwasserstoff verschieden sein. Daher hätte die experimentelle Beobachtung nicht übereinstimmender Energieniveaus in Wasserstoff und Antiwasserstoff drastische Konsequenzen für die moderne Physik.

Natürlich sollten alle diese Wirkungen schwach sein, sonst würde sich ihre Manifestation in den Eigenschaften der Elementarteilchen und ihrer Antiteilchen zeigen. Aber die Schwäche der Effekte sollte nicht erschrecken: Schließlich sind spektroskopische Messungen für ihre ultra-hohe Genauigkeit berühmt. Zum Beispiel wird im selben Wasserstoff die Energiedifferenz zwischen den 1S- und 2S-Niveaus (dh zwischen den Grund- und ersten angeregten Zuständen eines Elektrons) bereits mit einer Genauigkeit von besser als 10 gemessen-14. Daher besteht die Hoffnung, dass die Experimente zur ultrapräzisen Messung der Energieniveaus im Antiwasserstoffatom am weitsichtigsten sind.

Theoretische Studien zeigen, dass die Energiedifferenz nicht zwischen 1S und 2S, sondern zwischen zwei sehr nahen Energieniveaus, in die sich der Grundzustand eines Elektrons in Wasserstoff aufspaltet (Abb. 2), am empfindlichsten auf eine hypothetische CPT-Verletzung bezieht Hyperfeinteilung Energieniveau. Diese beiden Zustände haben die gleiche Elektronenverteilung, aber in ihnen sind die Spins des Protons und des Elektrons unterschiedlich zueinander orientiert. Der Zustand, in dem die Spins entgegengesetzt sind und der gesamte Spin eines Atoms Null ist, hat eine etwas niedrigere Energie als der Zustand, in dem die Spins von Elektron und Proton parallel sind. Dieser Energieunterschied ist sehr klein, eine Million mal weniger als der Abstand zum angeregten Niveau von 2S, wird jedoch mit großer Genauigkeit gemessen, besser als ein Billionstel (10-12). Diese Spaltung ist übrigens sehr wichtig für die Astrophysik – sie gibt die berühmte Funkverbindung des interstellaren Wasserstoffs mit einer Wellenlänge von 21 cm.

Abb. 2 Der Grundzustand des Wasserstoffatoms ist in zwei enge Ebenen mit unterschiedlichen gegenseitigen Orientierungen der Spins des Protons und des Elektrons aufgeteilt (Hyperfeinspaltung).Der Unterschied in ihrer Energie ist etwa eine Million mal geringer als die Energie zum nächsten angeregten Zustand.

Für eine ultrapräzise Messung einer möglichen CPT-Verletzung müssen Experimentatoren also (1) Antiwasserstoff erzeugen, (2) die Hyperfeinaufspaltung des Bodenpegels darin registrieren, (3) ihren Wert mit maximaler Genauigkeit messen und das Ergebnis mit Daten von gewöhnlichem Wasserstoff vergleichen. Dieses große Ziel ist einem großen Programm experimenteller Studien gewidmet, die in verschiedenen Forschungszentren auf der ganzen Welt und vor allem am CERN durchgeführt werden.

Antiwasserstoffstudien: Eine kurze Geschichte

Die wichtigsten Meilensteine ​​in der Erforschung der Antimaterie: Von den Ursprüngen der Quantentheorie durch die Entdeckung von Antiteilchen in modernen Experimenten am CERN. Informationen von der Website timeline.web.cern.ch

Im Allgemeinen sind Antiteilchen (Positronen, Antiprotonen usw.) leicht zu erhalten: es reicht aus, Teilchen auf Energien von mehreren GeV zu beschleunigen und diesen auf jedes Ziel zu richten. Dann wird in den Kollisionen eine Vielzahl von Teilchen geboren werden, und manchmal wird es unter ihnen Teilchen von Antimaterie und sogar Anti-Kern geben. Mit Hilfe von elektrischen oder magnetischen Feldern ist es möglich, Teilchen unterschiedlicher Art zu trennen, und somit kann ein Strom von Antiprotonen oder Positronen erhalten werden. Das haben die Physiker vor mehr als einem halben Jahrhundert gelernt.

Die Gewinnung von Antiwasserstoffatomen ist eine viel schwierigere Aufgabe. Einfaches Zusammenführen von Positronen und Antiprotonen ist nutzlos. Die Energien der Teilchen sind groß, ihre Konzentration ist dagegen niedrig, so dass selbst wenn das Antiproton und das Positron zufällig kollidieren, sie einfach streuen und kein Atom bilden. Um Antimaterie-Atome zu erzeugen, müssen sich Partikel ansammeln abkühlendas heißt, reduzieren ihre Geschwindigkeiten um mehrere Größenordnungen. Das ist an sich keine leichte Aufgabe, denn die Antimaterie kann lange Zeit nicht mit gewöhnlicher Materie in Berührung kommen und vernichtet. (Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, zu den Extremen zu gehen: Vernichtung tritt gar nicht sofort auf, und wenn Sie ein Positron in eine Substanz einleiten, wird es Zeit haben, ein ziemlich hektisches Leben zu führen, bevor es verschwindet.)

Selbst wenn die Atome der Antimaterie erhalten werden, müssen sie schließlich noch aufbewahrt und irgendwie registriert werden. Normalerweise werden sie dafür in Fallen gehalten und versuchen, den Kontakt mit den Wänden zu vermeiden. Aber selbst unter den Bedingungen eines tiefen Vakuums fliegen die Moleküle der gewöhnlichen Materie in einer Falle, und sie können mit Antimaterie vernichten, so dass diese Aufgabe sich als ziemlich schwierig erweist.Im Allgemeinen deutet schon diese kleine Liste offensichtlicher Schwierigkeiten darauf hin, dass die Gewinnung und Erforschung von Antimaterie eine sehr technische Aufgabe ist.

CERN spielt eine aktive Rolle bei der Erforschung von Antimaterie. Hier wurden die Antiwasserstoffatome erstmals 1995 in einer speziellen LEAR-Anlage hergestellt. Antimaterie wurde für das Studium verfügbar und ein noch umfangreicheres Forschungsprogramm für Antimaterie wurde am CERN gestartet. Jetzt gibt es einen speziellen Antiproton-Retarder AD, einen Antiproton-Verzögerer (ja, am CERN gibt es nicht nur Beschleuniger, sondern auch Moderatoren!), Der die Energie von Antiprotonen auf 5 MeV reduziert und sie an fünf Experimentieranlagen liefert. In einem von ihnen, ACE, werden Antiprotonen für die Entwicklung der Antiproton-Antikrebs-Therapie verwendet, und in den anderen vier – für die Synthese von Antiwasserstoff und für die Durchführung verschiedener Experimente damit. So berichteten 2002 zwei Experimente, ATRAP und ATHENA, über die Bildung von Antiwasserstoff in der Menge von Tausenden von Atomen, und in jüngerer Zeit konnte die ALPHA-Kollaboration 2011 nicht nur Antiwasserstoff erhalten, sondern hielt ihn auch länger als 15 Minuten in einer Falle.

Lesen Sie mehr über die CERN-Experimente zur Produktion von Anti-Wasserstoff finden Sie im Zyklus der populären Geschichten "Montage eines Atoms aus losen Teilen", Teil 1, Teil 2, Teil 2.5, Teil 3.

Alle diese Gruppen beschäftigten sich natürlich nicht nur mit der Produktion von Anti-Wasserstoff, sondern auch mit der Untersuchung seiner Eigenschaften. Insbesondere hat die ALPHA-Kollaboration erstmals die Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands in einem Antiwasserstoffatom registriert. Die Messgenauigkeit war natürlich aufgrund der geringen Anzahl von Atomen sehr gering, aber das ist nicht der Punkt. In all diesen Experimenten wird Antiwasserstoff eingefangen und in magnetischen Fallen untersucht. Aber das Magnetfeld beeinflusst wesentlich die Struktur der Energieniveaus von Atomen und verschiebt sie nicht nur, sondern "erodiert" sie auch in Energie. All dies begrenzt die Genauigkeit, mit der spektroskopische Messungen von Anti-Wasserstoff berechnet werden können, was bedeutet, dass es die Wahrscheinlichkeiten zum Detektieren der geringfügigen Unterschiede zwischen dem Spektrum von Wasserstoff und Anti-Wasserstoff, die oben diskutiert wurden, stark reduziert.

Gerade die Überwindung dieses "magnetischen Problems" ist eines der Hauptziele der ASACUSA-Kollaboration. Sie will Antiatome nicht fangen und halten, sie will sie im Flug und ohne Magnetfelder messen. Dies bedeutet, dass zwischen dem Ort der Erzeugung von Wasserstoff (wo zwangsläufig Magnetfelder vorhanden sind) und dem Ort seiner Untersuchung eine Entfernung von mehreren Metern liegen muss.Außerdem sollte der Wasserstofffluss intensiv genug sein und seine Geschwindigkeit niedrig sein, damit die Physiker während der Passage der Antiatome durch die Installation ein merkliches Signal von der Hyperfeinspaltung erhalten können.

Um diese Aufgaben zu erfüllen, hat die ASACUSA-Kollaboration eine Kombination mehrerer experimenteller Anordnungen entwickelt, eingerichtet und getestet, um Positronen und Antiprotonen zu halten, zu verlangsamen und zu kombinieren, sowie mit ultrafeinen Zuständen von Wasserstoff zu arbeiten und diese zu detektieren. In den vergangenen Jahren hat ASACUSA regelmäßig über Zwischenschritte berichtet und nun ist es gelungen, einen ersten wichtigen Schritt in Richtung der geplanten Messung zu machen – die Anti-Wasserstoff-Produktionslinie war fertig und bereit für Experimente.

Produktionstechnologie von Antiwasserstoff in ASACUSA

Nun ist es nützlich, im ASACUSA-Experiment ein paar Worte zur Herstellung von Antiwasserstoff zu sagen. Das allgemeine Schema des experimentellen Komplexes zur Messung der Hyperfeinaufspaltung in Antiwasserstoff ist in Abb. 3. Es besteht aus zwei Armen, durch welche die Antiprotonen und Positronen in die gemeinsame Anlage eintreten und dort zu Antiwasserstoffatomen vereinigt werden.Antiprotonen werden vom CERN getrennt hergestellt und bereits vorgekühlt an ASACUSA geliefert. Hier verlangsamen sie sich noch mehr, werden in einer Antiprotonenfalle gefangen und sammeln sich dort für die weitere Verwendung an. Positronen werden anders erhalten – infolge des Zerfalls eines radioaktiven Isotops. 22Na. Sie fliegen mit hoher Geschwindigkeit aus dem zerfallenen Kern und müssen daher gekühlt werden. Anfangs verlieren sie ihre Energie und durchdringen das "Neon-Eis" – eine Schicht aus massivem Neon, die an den Wänden des konischen Trichters nahe der Quelle abgelagert wird. Trotz des exotisch klingenden Namens ist diese Technologie seit über 20 Jahren bekannt. Dann treten die Positronen mit dem Gasgemisch in die Kammer ein, verlangsamen sich noch mehr und können dann schon in einer Positronenfalle gehalten und akkumuliert werden.

Nachdem mehrere Millionen Antiprotonen und Positronen gesammelt wurden, öffnen sich diese Fallen, und beide Teilchenwolken treten in eine einzelne Kammer ein, um sich zu Antiwasserstoffatomen zu vereinigen. Auch dieser Prozess ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint. Beide Partikelwolken sind sehr verdünnt, und trotz der Anziehung zwischen Positronen und Antiprotonen tritt ihre Kollision mit der Bildung eines gebundenen Zustands selten auf.Außerdem bewegen sich die aus ihren Fallen kommenden Antiprotonen und Positronen, obwohl sie gekühlt sind, immer noch zu schnell, und sie müssen noch mehr verlangsamt werden.

Abb. 3 Schema des ASACUSA-Experiments (siehe Erläuterungen im Text). Bild aus dem Artikel zur Diskussion

Im ASACUSA-Experiment wird eine elektrostatische Falle des ungewöhnlichen Typs, die vor einigen Jahren erfunden wurde, verwendet, um dieses Problem zu lösen (Fig. 4). Im Allgemeinen haben Antiprotonen und Positronen entgegengesetzte elektrische Ladungen, so dass sie nicht im selben elektrischen Feld gehalten werden können. Sie können dies jedoch tun. Zunächst wird in der Mitte der Falle das elektrostatische Potential einer zweihöckrigen Form (Abb. 4, links) erzeugt und Positronen dort platziert. Positiv geladene Positronen "fühlen" ein potentielles Loch in der Mitte der Falle, begrenzt durch Barrieren an den Seiten, so dass sie still in der Falle sitzen und auf ihr Schicksal warten.

Wenn wir negativ geladene Antiprotonen in dasselbe Potential einbringen, fliegen sie einfach hindurch, ohne in der Mitte zu verweilen – für sie bedeutet erhöhtes Potential Absenken potentielle Energie. Daher wird in der zweiten Stufe das Potential von einer Kante aus erhöht, was die potentielle Energie der Antiprotonen reduziert und ihnen ermöglicht, von dieser Kante aus injiziert zu werden (Fig. 4, in der Mitte).In diesem abnehmenden Potential werden die Antiprotonen langsamer, wenn ihre potentielle Energie steigt. Ihre Energie ist so gewählt, dass sie kaum zur Positronenwolke kriechen können. Die Falle wird dann geschlossen und zwei sich überlagernde Wolken aus Antiteilchen werden darin gefangen (Abb. 4, rechts). Im Bereich ihrer Kreuzung sind Antiwasserstoffatome gebildet.

Abb. 4 Die Idee, Positronen und Antiprotonen in einer elektrostatischen Falle ungewöhnlicher Form zu Antiwasserstoff zu kombinieren. Ein großes elektrostatisches Potential bedeutet eine große potentielle Energie für Positronen und eine kleine für Antiprotonen. Manipulation mit Potential und Einstellung der Energie von Antiprotonen ermöglichen es, zwei Wolken von Partikeln effektiv zu kombinieren, und im Bereich ihres Schnittpunktes wird Antiwasserstoff synthetisiert (siehe die Erläuterungen im Text). Pfeil zeigt die Richtung, aus der Antiprotonen in die Falle injiziert werden

Weitere Flug von Antiwasserstoffatomen

Da die Atome neutral sind, beschränkt das elektrostatische Potential ihre Bewegung nicht mehr und sie "fallen" frei aus der Falle. In der gleichen Falle gibt es auch ein Magnetfeld komplexer Form, das die Zustände von Anti-Wasserstoff mit unterschiedlichem Spin trennen kann,in die das Hauptenergieniveau aufgeteilt wird (Abb. 2). Infolgedessen wird ein streng polarisierter Strom von Antiwasserstoffatomen am Ausgang der Falle fließen (Fig. 5).

Abb. 5 Forschungsstandort in der ASACUSA-Installation. Ein komplexes Magnetfeld innerhalb der Falle trennt Zustände mit unterschiedlichen Spins, so dass der Ausgang ein polarisierter Antiwasserstofffluss ist. In einem Mikrowellenresonator mit einer geeigneten Frequenz gibt es Würfe zwischen Zuständen mit unterschiedlichem Spin, die durch einen Sextupol-Magneten blockiert werden. Indem die Anzahl der Atome gemessen wird, die im Anti-Wasserstoff-Detektor passiert werden, kann man die Wirksamkeit des Überwurfprozesses herausfinden und somit die Grße der Hyperfeinaufspaltung genau messen. In den beschriebenen Experimenten wurde der Resonator abgeschaltet. Bild von asacusa.web.cern.ch

Ein solcher Antiwasserstoff kann weit entfernt von der Empfangsstelle transportiert werden. Die Magnetfelder an dieser Stelle sind extrem schwach und stören die Experimente zur Messung der Hyperfeinspaltung nicht. Nun, diese Messung selbst wird für die Atomphysik auf eine übliche Weise durchgeführt werden. Atome fliegen durch einen Resonator mit schwachem Magnetfeld und stehender Radiowelle.Wenn die Wellenfrequenz mit der Frequenzdifferenz zwischen verschiedenen Zuständen bei der Hyperfeinaufspaltung zusammenfällt, beginnt der Resonanzprozess, bei dem Atome von einem Zustand in einen anderen geworfen werden. Die Frequenz der Radiowellen kann mit sehr hoher Genauigkeit eingestellt werden, wodurch es möglich ist, die Aufspaltung von Pegeln mit der gleichen Genauigkeit zu messen. Schätzungen zeigen, dass die relative Genauigkeit in der Größenordnung von 10-7 im ASACUSA-Experiment durchaus erreichbar.

All das ist gut, aber nur das ist das Geschäft der Zukunft. Bisher wollte die ASAGUSA-Kollaboration nur bestätigen, dass die Bildung von Anti-Wasserstoff erfolgreich verläuft. Zu diesem Zweck wurden Detektoren auf der Basis von Wismutorthogermanat (Bi3Ge4O12oder, im Jargon der Physiker, einfach BGO-Kristalle, das Standardmaterial für Szintillationsmessungen in der Teilchenphysik. Diese Kristalle absorbierten einfach Antiatome, in ihnen kam es unter Freisetzung von Energie zur Antimaterie, und die Energie der Atome konnte durch einen Lichtblitz gemessen werden. Eine Energiemessung wurde benötigt, um das Eindringen eines echten Antiwasserstoffatoms von äußeren Ereignissen zu unterscheiden.Die Anzahl der Ereignisse war klein, nur ein paar Dutzend Atome in anderthalb Stunden, aber das war radikal anders als im Hintergrund. Somit ist der Antiwasserstoff-Fluss – das ASAGUSA-Experiment offiziell verdient.

Dies ist natürlich nur der Anfang. Auf dem Weg zur vollständigen Messung der ultrafeinen Spaltung in Anti-Wasserstoff muss die ASACUSA-Kollaboration noch einige technische Schwierigkeiten überwinden. Um beispielsweise den statistischen Fehler zu reduzieren, ist es notwendig, die Anzahl der erzeugten Antiwasserstoffatome signifikant zu erhöhen. Eine andere, schwierigere Aufgabe ist es, zu lernen, wie man nicht nur Wasserstoffatome, sondern auch Atome im Grundzustand erhält. Bislang besteht der registrierte Antiwasserstofffluss aus Atomen sowohl im Grundzustand als auch in den angeregten Zuständen, bis zu hochangeregten Niveaus mit der Hauptquantenzahl n = 43. Die Experimentatoren müssen lernen, solche Atome in relativ kurzer Zeit in den Grundzustand zu überführen. Aber das ist eine häufige Schwierigkeit für alle Experimente mit Antiwasserstoff, ASACUSA ist keine Ausnahme. Da jedoch die technisch schwierige Schlüsselphase der gesamten Technik erfolgreich umgesetzt wurde, ist zu hoffen, dass reale physikalische Messungen nicht weit entfernt sind.

Quelle: N. Kurodaet al. (ASACUSA Zusammenarbeit). Eine Quelle von Antiwasserstoff für die Hyperfeinspektroskopie während des Fluges // Naturkommunikationen 5. Artikelnummer: 3089 (2014); Der Artikel ist öffentlich zugänglich.

Siehe auch:
1) CERN-Experiment für eine Hyperfeinstudie;
2) Die offizielle Seite des ASACUSA Experimental Complex auf der CERN Webseite.
3) An der Spitze in ASACUSA, einem beliebten Artikel in der Zeitschrift CERN Kurier.

Igor Iwanow


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