Антипротонный замедлитель

Кольцо для хранения частиц в ЦЕРНе, Швейцария

Антипротонный замедлитель ( AD ) — это накопительное кольцо в лаборатории ЦЕРН недалеко от Женевы . ^[1] Он был построен на основе антипротонного коллектора (AC) в качестве преемника низкоэнергетического антипротонного кольца (LEAR) и начал работу в 2000 году. Антипротоны создаются путем столкновения протонного пучка из протонного синхротрона с металлической мишенью. AD замедляет полученные антипротоны до энергии 5,3 МэВ, которые затем выбрасываются в один из нескольких связанных экспериментов.

Главные цели экспериментов в AD — спектроскопическое наблюдение антиводорода и изучение влияния гравитации на антиматерию. Хотя каждый эксперимент в AD имеет разные цели: от тестирования антиматерии для терапии рака до исследования симметрии CPT и антигравитации .

История

С 1982 по 1996 год ЦЕРН управлял кольцом антипротонов низкой энергии (LEAR) , с помощью которого было проведено несколько экспериментов с медленно движущимися антипротонами. На завершающих этапах LEAR физическое сообщество, участвовавшее в этих экспериментах с антиматерией , хотело продолжить свои исследования с медленными антипротонами. Мотивация к созданию AD возникла на семинаре по антиводороду , состоявшемся в Мюнхене в 1992 году. ^{[2] [3]} Эта идея была быстро реализована, и исследование осуществимости AD было завершено к 1995 году. ^[4]

В 1996 году Совет ЦЕРНа попросил подразделение протонного синхротрона (ПС) изучить возможность генерации медленных пучков антипротонов. Подразделение ПС подготовило проектное исследование в 1996 году с решением использовать антипротонный коллектор (АК) и превратить его в единую машину-замедлитель антипротонов. АД был одобрен в феврале 1997 года. ^{[5] [6]}

Модификация AC, установка AD и процесс ввода в эксплуатацию были выполнены в течение следующих трех лет. К концу 1999 года кольцо AC было преобразовано в замедлитель и систему охлаждения, образовав замедлитель антипротонов. ^{[3] [7]}

Деселератор

Овальный периметр AD имеет четыре прямых секции, где размещены системы замедления и охлаждения. В этих секциях есть несколько дипольных и квадрупольных магнитов, чтобы избежать рассеивания пучка . Антипротоны охлаждаются и замедляются в одном 100-секундном цикле в синхротроне AD. ^[3]

Производство антипротонов

AD требует около протонов с импульсом 26 ГэВ/с для производства антипротонов в минуту. Высокоэнергетические протоны, поступающие из протонного синхротрона, сталкиваются с тонким, очень плотным стержнем из иридиевого металла диаметром 3 мм и длиной 55 см. ^[3] Иридиевый стержень, залитый в графит и заключенный в герметичный водоохлаждаемый титановый корпус, остается нетронутым. Но столкновения создают множество энергичных частиц, включая антипротоны. Магнитная биконическая алюминиевая линза рупорного типа собирает антипротоны, выходящие из мишени. Этот коллектор принимает ${\displaystyle \mathrm {10^{13}} }$ ${\displaystyle \mathrm {5\times 10^{7}} }$Антипротоны 3,5 ГэВ/c , и они отделяются от других частиц с помощью отклонения посредством электромагнитных сил. ^{[3] [4]}

ЦЕРН AD с экспериментами ALPHA, ASACUSA и ATRAP.

Замедление, накопление и охлаждение

Радиочастотные (РЧ) системы замедляют и группируют охлажденные антипротоны при 3,5 ГэВ/c. Многочисленные магниты внутри фокусируют беспорядочно движущиеся антипротоны в коллимированный пучок и изгибают пучок. Одновременно электрические поля еще больше замедляют их. ^{[1] [4]}

Стохастическое охлаждение и стадии электронного охлаждения , разработанные внутри AD, уменьшают энергию пучков, а также ограничивают пучок антипротонов от любых существенных искажений. Стохастическое охлаждение применяется для антипротонов при 3,5 ГэВ/c, а затем при 2 ГэВ/c, за которым следует электронное охлаждение при 0,3 ГэВ/c и при 0,1 ГэВ/c. Конечный выходной пучок имеет импульс 0,1 ГэВ/c ( кинетическая энергия равна 5,3 МэВ). Эти антипротоны движутся со скоростью около одной десятой скорости света. ^{[1] [3] [7]}

Но для экспериментов нужны гораздо более низкие энергетические пучки (от 3 до 5 КэВ). Поэтому антипротоны снова замедляются до ~5 КэВ с помощью фольги-деградатора. Этот шаг объясняет потерю 99,9% антипротонов. Собранные антипротоны затем временно хранятся в ловушках Пеннинга ; перед подачей в несколько экспериментов AD. Ловушки Пеннинга также могут образовывать антиводород , объединяя антипротоны с позитронами . ^{[3] [7]}

ЕЛЕНА

кольцо ЕЛЕНА

ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) — это 30-метровое гексагональное накопительное кольцо, расположенное внутри комплекса AD. ^{[8] [9]} Оно предназначено для дальнейшего замедления пучка антипротонов до энергии 0,1 МэВ для более точных измерений. ^{[10] [11]} Первый пучок был выпущен из ELENA 18 ноября 2016 года. ^[12] GBAR был первым экспериментом, в котором использовался пучок из ELENA, остальные эксперименты AD последовали его примеру после LS2, когда линии передачи пучка из ELENA будут проложены ко всем экспериментам, использующим установку. ^[13]

эксперименты с АД

АФИНА

ATHENA , эксперимент AD-1, был исследовательским проектом антиматерии , который проводился в Антипротонном замедлителе. В августе 2002 года это был первый эксперимент, в ходе которого было получено 50 000 низкоэнергетических атомов антиводорода , как сообщалось в Nature . ^{[14] [15]} В 2005 году ATHENA была расформирована, и многие из бывших участников работали над последующим экспериментом ALPHA.

АТРАП

Сотрудничество Antihydrogen Trap (ATRAP), ответственное за эксперимент AD-2, является продолжением сотрудничества TRAP , которое начало собирать данные для эксперимента PS196 в 1985 году. ^{[16] [17]} Эксперимент TRAP (PS196) был пионером холодных антипротонов , холодных позитронов и первым заставил ингредиенты холодного антиводорода взаимодействовать. Позднее участники ATRAP стали пионерами точной спектроскопии водорода и наблюдали первые горячие атомы антиводорода.

АСАКУСА

Атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов (ASACUSA), AD-3, является экспериментом по проверке CPT-симметрии с помощью лазерной спектроскопии антипротонного гелия и микроволновой спектроскопии сверхтонкой структуры антиводорода . Он сравнивает материю и антиматерию с помощью антиводорода и антипротонного гелия и изучает столкновения материи с антиматерией. ^{[18] [19]} Он также измеряет атомные и ядерные сечения антипротонов на различных мишенях при чрезвычайно низких энергиях. ^[20]

ТУЗ

Участники коллаборации ACE на экспериментальной установке

Эксперимент с антипротонными клетками (ACE), AD-4, начался в 2003 году. Он направлен на полную оценку эффективности и пригодности антипротонов для терапии рака . Результаты показали, что антипротонов, необходимых для разрушения опухолевых клеток, было в четыре раза меньше, чем требуемых протонов. Воздействие антипротонов на здоровые ткани было значительно меньше. Хотя эксперимент закончился в 2013 году, дальнейшие исследования и проверки все еще продолжаются из-за длительных процедур внедрения новых медицинских методов лечения. ^{[21] [22]}

АЛЬФА

Эксперимент АЛЬФА

Аппарат лазерной физики антиводорода (ALPHA), эксперимент AD-5, предназначен для захвата нейтрального антиводорода в магнитную ловушку и проведения экспериментов с ними. Конечной целью этого начинания является проверка симметрии CPT путем сравнения атомных спектров водорода и антиводорода (см. спектральные серии водорода ). ^{[23] Сотрудничество ALPHA состоит из некоторых бывших членов сотрудничества ATHENA (первой} группы , которая произвела холодный антиводород в 2002 году), а также ряда новых членов.

AEgIS

AEgIS, эксперимент с антиматерией: гравитация, интерферометрия, спектроскопия, AD-6, является экспериментом в Антипротонном замедлителе. AEgIS попытается определить, влияет ли гравитация на антиматерию так же, как она влияет на обычную материю, проверив ее влияние на луч антиводорода . Первая фаза эксперимента создала антиводород с помощью реакции обмена зарядом между антипротонами из Антипротонного замедлителя (AD) и позитронием , создав импульс атомов антиводорода. Эти атомы отправляются через ряд дифракционных решеток , в конечном итоге ударяясь о поверхность и, таким образом, аннигилируя . Точки, в которых аннигилирует антиводород, измеряются с помощью точного детектора. Области за решетками затенены, а области за щелями — нет. Точки аннигиляции воспроизводят периодический рисунок светлых и затененных областей. Используя этот рисунок, можно измерить, сколько атомов с разными скоростями смещаются по вертикали из-за гравитации во время их горизонтального полета. Таким образом, можно определить силу тяготения Земли на антиводород. ^[24]

ГБАР

Эксперимент GBAR (гравитационное поведение антиводорода в состоянии покоя)

GBAR (гравитационное поведение антиводорода в состоянии покоя), эксперимент AD-7, является многонациональным сотрудничеством в Антипротонном замедлителе ЦЕРНа. Проект GBAR направлен на измерение ускорения свободного падения ультрахолодных нейтральных атомов антиводорода в земном гравитационном поле . Измеряя ускорение свободного падения антиводорода и сравнивая его с ускорением обычного водорода, GBAR проверяет принцип эквивалентности, предложенный Альбертом Эйнштейном . Принцип эквивалентности гласит, что гравитационная сила, действующая на частицу, не зависит от ее внутренней структуры и состава. ^[25]

БАЗА

BASE (эксперимент по симметрии барионов и антибарионов), AD-8, является многонациональным проектом в рамках проекта по замедлению антипротонов в ЦЕРНе.

Целью японо-германского сотрудничества BASE ^[26] являются высокоточные исследования фундаментальных свойств антипротона, а именно отношения заряда к массе и магнитного момента . Отдельные антипротоны хранятся в усовершенствованной системе ловушек Пеннинга , в основе которой лежит система двойной ловушки, для высокоточных измерений частоты и для спектроскопии переворота спина отдельных частиц . Измеряя скорость переворота спина как функцию частоты внешнего магнитного привода, получается резонансная кривая. Вместе с измерением циклотронной частоты извлекается магнитный момент.

ПУМА

Эксперимент PUMA (AntiProton Unstable Matter Annihilation Experiment), AD-9, направлен на изучение квантовых взаимодействий и процессов аннигиляции между антипротонами и экзотическими медленно движущимися ядрами . Экспериментальные цели PUMA требуют транспортировки около миллиарда захваченных антипротонов, созданных AD и ELENA, на ядерно-физическую установку ISOLDE в ЦЕРНе, которая будет поставлять экзотические ядра. ^[27] Антиматерия никогда ранее не транспортировалась из установки AD. Проектирование и создание ловушки для этой транспортировки является наиболее сложным аспектом сотрудничества PUMA. ^{[28] [29] [27]}

Смотрите также

• Гравитационное взаимодействие антиматерии

Ссылки

1. "The Antiproton Decelerator – CERN" . Получено 21 декабря 2016 г. .
2. "Antihydrogen Workshop, Munich, Germany, July 30–31, 1992". Hyperfine Interact. 76 (1993) 1, pp.1–397 . Springer. 1993 . Получено 6 июля 2021 .
3. Бэрд, SA; Берлин, Д.; Бойо, Дж.; Боссер, Жак; Бруэ, М.; Батткус, Дж.; Касперс, Фридхельм; Чохан, В.; Деккерс, Дэниел (1996). Проектная проработка антипротонного замедлителя: А.Д. doi : 10.17181/cern.knxm.aykr.
4. Autin, Bruno; Baird, SA; Berlin, D.; Boillot, J.; Bosser, Jacques; Brouet, M.; Caspers, Friedhelm; Chanel, M.; Chohan, V. (1995). Замедлитель антипротонов (AD), упрощенный источник антипротонов (обоснование целесообразности). doi :10.17181/cern.0w6p.8onp.
5. ЦЕРН. Женева. Исследовательский совет; ЦЕРН. Женева. Исследовательский совет, ред. (1997). Протокол 130-го заседания Исследовательского совета, состоявшегося в четверг 6 февраля 1997 г. CERN-DG-RB-Minutes.
6. "The Low Energy Antiproton Ring". ЦЕРН . Получено 6 июля 2021 г.
7. Hémery, JY; Maury, S. (9 августа 1999 г.). "The Antiproton Decelerator: Overview". Nuclear Physics A . 655 (1–2): c345–c352. Bibcode :1999NuPhA.655..345H. doi :10.1016/S0375-9474(99)00223-7. ISSN  0375-9474.
8. "ELENA – Home". Архивировано из оригинала 3 ноября 2013 года . Получено 28 ноября 2016 года .
9. Oelert, W. (2015). «Проект ELENA в ЦЕРНе». Acta Physica Polonica B. 46 ( 1): 181. arXiv : 1501.05728 . Bibcode :2015AcPPB..46..181O. doi :10.5506/APhysPolB.46.181. S2CID  119270123.
10. Йоргенсен, LV; Носич, A; Санчес-Кесада, J; Харасимович, J; ЛеГодец, G; Анголетта, ME; Кухлер, D; Циклер, T; Эрикссон, T; Капатина, O; Доберс, T (2014). Кольцо антипротона сверхнизкой энергии (ELENA) и его линии передачи: отчет о конструкции. Желтые отчеты ЦЕРН: монографии. doi : 10.5170/CERN-2014-002. ISBN 9789290834007.
11. Мэдсен, Н. (2018). «Физика антипротонов в эпоху ELENA». Phil. Trans. R. Soc. A. 376 ( 2116): 20170278. Bibcode : 2018RSPTA.37670278M. doi : 10.1098/rsta.2017.0278. PMC 5829179. PMID  29459419 . 
12. "Новое кольцо для замедления антиматерии – ЦЕРН" . Получено 21 декабря 2016 г.
13. "Исключительно медленные антипротоны". ЦЕРН . Получено 28 февраля 2020 г.
14. "Тысячи холодных антиатомов произведены в ЦЕРНе" (пресс-релиз). ЦЕРН . 18 сентября 2002 г.
15. Аморетти, М.; и др. (Сотрудничество ATHENA) (2002). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода». Nature . 419 (6906): 456–459. Bibcode :2002Natur.419..456A. ​​doi : 10.1038/nature01096 . PMID  12368849. S2CID  4315273.
16. Габриэльс, Г.; Фей, Х.; Ороско, Л.; Тьёлькер, Р.; Хаас, Дж.; Калиновский, Х.; Трейнор, Т.; Келлс, В. (сентябрь 1990 г.). «Тысячекратное улучшение измеренной массы антипротона». Physical Review Letters . 65 (11): 1317–1320. Bibcode :1990PhRvL..65.1317G. doi :10.1103/PhysRevLett.65.1317. ISSN  0031-9007. PMID  10042233.{{cite journal}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
17. "Greybook: PS196". greybook.cern.ch . Архивировано из оригинала 9 июля 2021 г. . Получено 6 июля 2021 г. .
18. "ASACUSA – General". Архивировано из оригинала 22 марта 2016 года . Получено 21 декабря 2016 года .
19. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 декабря 2013 года . Получено 9 февраля 2011 года .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
20. "Архивная копия". Архивировано из оригинала 15 апреля 2013 года . Получено 17 февраля 2010 года .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
21. "ACE – CERN" . Получено 21 декабря 2016 .
22. Басслер, Нильс; Алснер, Ян; Бейер, Герд; ДеМарко, Джон Дж.; Дозер, Майкл; Хайдукович, Драган; Хартли, Оливер; Ивамото, Кейсуке С.; Якель, Оливер; Кнудсен, Хельге В.; Ковачевич, Сандра (январь 2008 г.). «Антипротонная лучевая терапия». Лучевая терапия и онкология . 86 (1): 14–19. doi :10.1016/j.radonc.2007.11.028. ПМИД  18158194.
23. Мэдсен, Н. (2010). «Холодный антиводород: новый рубеж в фундаментальной физике». Philosophical Transactions of the Royal Society A. 368 ( 1924): 3671–82. Bibcode :2010RSPTA.368.3671M. doi : 10.1098/rsta.2010.0026 . PMID  20603376. S2CID  12748830.
24. Aegis Collaboration (2018). «Эксперимент AEgIS». ЦЕРН .
25. "GBAR". CERN . Получено 29 июня 2021 г. .
26. "официальный сайт BASE".
27. Obertelli, Alexandre (2018). PUMA: антипротоны и радиоактивные ядра. Меморандум. ЦЕРН. Женева. ISOLDE и Комитет по экспериментам с нейтронами во времени пролета, INTC.
28. "Проект PUMA: Антиматерия становится кочевником". ЦЕРН . Получено 11 июля 2021 г.
29. Ауманн, Т.; Бартманн, В.; Бувар, А.; Бойн-Франкенхайм, О.; Брош, А.; Бутин Ф.; Кальве, Д.; Карбонелл, Дж.; Чиджиато, П. (2019). ПУМА: антипротоны и радиоактивные ядра. Предложение. ЦЕРН. Женева. Комитет по экспериментам СПС и ПС, SPSC.

Внешние ссылки

1. Эксперимент GBAR
2. Балки в AD
3. Результаты альфа-эксперимента
4. Источник антипротонов AD
5. Сайт AD Архивировано 2 августа 2012 г. на Wayback Machine
6. Сайт АФИНЫ
7. веб-сайт АТРАП
8. Сайт ASACUSA
9. АЛЬФА-сайт
10. Сайт AEgIS
11. "Что такое AD?". ЦЕРН . Архивировано из оригинала 15 февраля 2006 года.
12. "Фигуры и фотографии ATHENA". ЦЕРН . Архивировано из оригинала 22 июня 2007 г.
13. Рекорд для замедлителя антипротонов на INSPIRE-HEP

Дальнейшее чтение

• G. Gache (12 июля 2008 г.). «Как антиматерия будет взаимодействовать с гравитацией?». Softpedia .
• Г. Дробычев и др. (сотрудничество AEGIS) (8 июня 2007 г.). "Предложение по эксперименту AEGIS на антипротонном замедлителе ЦЕРН (эксперимент с антиматерией: гравитация, интерферометрия, спектроскопия)" (PDF) . ЦЕРН .
• G. Testera; et al. (2008). «Формирование холодного антиводородного пучка в AEGIS для гравитационных измерений». Труды конференции AIP . 1037 : 5–15. arXiv : 0805.4727 . Bibcode : 2008AIPC.1037....5T. doi : 10.1063/1.2977857. S2CID  55052697.

46°14′02″с.ш. 6°02′47″в.д. / 46.23389°с.ш. 6.04639°в.д. / 46.23389; 6.04639