Spiegelbild des Universums Spiegelbild des Universums

Antimaterie Antimaterie

Spiegelbild des Universums Spiegelbild des Universums

Rolf Landua

CERN, 7 Februar 2000 Rolf Landua

CERN, 7 Februar 2000

Inhalt Inhalt

1 Antimaterie?

2 E = mc

3 Löcher im Vakuum ?

4 Wir kochen eine Antimaterie-Suppe 5 Antiproton Decelerator (AD)

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie 7 Wir basteln ein Anti-Atom (ATHENA) 1 Antimaterie?

2 E = mc

3 Löcher im Vakuum ?

4 Wir kochen eine Antimaterie-Suppe 5 Antiproton Decelerator (AD)

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie

7 Wir basteln ein Anti-Atom (ATHENA)

1 Antimaterie?

1 Antimaterie?

Paul Dirac (1929) Paul Dirac (1929)

Kein ausgezeichnetes Bezugssystem (Rel. theorie) + Quantentheorie :

Beschreibung eines ‘einzelnen’ Elektrons unmöglich, braucht ‘Anti-Elektron’ als Partner

1932: ‘Positron’ in kosmischer Höhenstrahlung entdeckt

~1950: Besseres Verständnis der Feldtheorien: völlige Symmetrie Teilchen-Antiteilchen !

2 E = m c

2 E = m c

Masse = konzentrierte Energie Masse = konzentrierte Energie

Potentielle - kinetische - Feldenergie ? Umtauschbar ...

Potentielle - kinetische - Feldenergie ? Umtauschbar ...

Energie =

der ‘Euro’ des Universums Energie =

der ‘Euro’ des Universums

2 E = mc

(II) 2 E = mc

(II)

Umtauschkurs (günstig): c

d.h. 1 kg produziert 3 GW für ein Jahr, oder 1 VW Polo fährt ~ 100,000 Jahre

Umtauschkurs (günstig): c

d.h. 1 kg produziert 3 GW für ein Jahr, oder

1 VW Polo fährt ~ 100,000 Jahre

2 E = mc

(III) 2 E = mc

(III)

Die ‘Münzen’ des Universums Die ‘Münzen’ des Universums

electron neutrino Toys 'R Us

Jeu de Construction

QUARKS PARTICULES

'LÉGERS'

Up Down

Energie

Electron

Anti-Electron (Positon) 0.511 (e)

105.6 (mmmm) 1777 (tttt)

? (Neutrinos) 3 (u)

5 (d) 100 (s) 1200 (c) 4300 (b) 174000 (t) 0.511 (e) 105.6 (mmmm) 1777 (tttt)

? (Neutrinos) 3 (u)

5 (d) 100 (s) 1200 (c) 4300 (b) 174000 (t)

3 Löcher im Vakuum 3 Löcher im Vakuum

Erzeugung von Antimaterie Erzeugung von Antimaterie

Dirac See Dirac See

Ene rgie

Erzeugung Annihilation

Electron

Electron

+

-

3 Löcher im Vakuum (II) 3 Löcher im Vakuum (II)

Pizza Modell Pizza Modell

Valentinstag-Modell Valentinstag-Modell

Electron

Electron ProtonProton

3 Löcher im Vakuum (III) 3 Löcher im Vakuum (III)

Energie - Materie : reine Theorie??

1938 - Kernspaltung

1945 - Atombombe (Spaltung)

1954 - Wasserstoffbombe (Fusion)

1955 - Antiproton-Erzeugung (Berkeley)

> 1960 - Nutzung in Beschleunigern

> 1980 - Antiproton-Proton Speicherring (CERN) Energie - Materie : reine Theorie??

1938 - Kernspaltung

1945 - Atombombe (Spaltung)

1954 - Wasserstoffbombe (Fusion)

1955 - Antiproton-Erzeugung (Berkeley)

> 1960 - Nutzung in Beschleunigern

> 1980 - Antiproton-Proton Speicherring (CERN)

4 Antimaterie - Suppe 4 Antimaterie - Suppe

“Verdampfung des Vakuums”

(T ~10,000,000,000,000 K)

in Kollisionen von Protonen mit Kernen

“Verdampfung des Vakuums”

(T ~10,000,000,000,000 K)

in Kollisionen von Protonen mit Kernen

1 keV 3.5 GeV 1 TeV 14 TeV

1 eV

1 meV

ATHENA

Liquid He (4.2 K)

AD LEP

LHC

5 MeV

Degrader

Electron Cooling Interior of Sun

Hydrogen Binding Energy

Cool Energy of Antiprotons by 13 orders of magnitude !

Antiprotons produced at high energy

Antihydrogen formed at low energy

4 Erdbeeren auf Kollisionskurs ...

4 Erdbeeren auf

Kollisionskurs ...

4 Antimaterie-Suppe (II) 4 Antimaterie-Suppe (II)

Am CERN:

Am CERN:

Protons

Cible _Aimant

Aimant

p p

--- -- -- + ++++

Antiprotons

e+

e+ e-

e-

p p

p p

p p

E

Cu

(Cuivre)

instable instable

instable

instable instable

stable

stable

4 Antimaterie-Suppe (III) 4 Antimaterie-Suppe (III)

Konzept:

a) Erzeugung bei hohen Energien (3-4 GeV) b) Sammeln der Antiprotonen, Kühlung

c) Abbremsung, weitere Kühlung

d) Extraktion bei 5 MeV -> Experiment

e) Weitere Kühlung in der Antiprotonen-Falle Konzept:

a) Erzeugung bei hohen Energien (3-4 GeV) b) Sammeln der Antiprotonen, Kühlung

c) Abbremsung, weitere Kühlung

d) Extraktion bei 5 MeV -> Experiment

e) Weitere Kühlung in der Antiprotonen-Falle

5 Antiproton Decelerator (AD) 5 Antiproton Decelerator (AD)

LINAC

PS

Antiproton Production, Collection, Deceleration, and Cooling

Protons accelerated for antiproton production

Proton Source

AD Antiproton Complex at CERN

25 GeV/c 3.5 GeV/c -

0.1 GeV/c

AD

Experi ments

AD Cycle

• 5·10¹³ p on target fi 5·10⁷ p in AD ring

• Several cooling and deceleration cycles (3.5 fi 2.0 fi 0.3 fi 0.1 GeV/c) Stochastic Electron Cooling

• Fast extraction (10⁷ p , 0.2 ms)

• Dp/p ~ 10^-3

• Cycle time ~ 1 minute

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie 6 Wir und das Rätsel der Antimaterie

• 1929 Hubble (Expansion)

• 1948 Gamov (Big Bang)

• 1963 Penzias & Wilson (CBR)

• 1967 Sakharov (Asymmetrisches Universum)

• 2000 Baryogenesis??

• 1929 Hubble (Expansion)

• 1948 Gamov (Big Bang)

• 1963 Penzias & Wilson (CBR)

• 1967 Sakharov (Asymmetrisches Universum)

• 2000 Baryogenesis??

Warum sind wir hier?

Warum sind wir hier?

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie (II)

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie (II)

Wo ist die Antimaterie?

Wo ist die Antimaterie?

e+ e+

e+

e+

e+ e-

e-

e-

e-

e- e-

p

p

p p

p

p

p p

p p

p p p

p p

p

p

p

p

T = 10^-43 s: Matter = Antimatter ?

Asymmetry ?

100,000,001:100,000,000

Universe filled with remnants of initial matter-antimatter annihilation

(Cosmic Microwave Background)

BIG BANG

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie (III)

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie (III)

Antimatter Domains in the Universe?

Matter

Antimatter

Antimatter

Wo ist die Antimaterie?

Wo ist die Antimaterie?

Anti-Gravitation?

Anti-Gravitation?

G G G

Earth Earth

Apple Anti-Apple Anti-Apple

Anti-Earth

? CPT Symmetric Situation Not:

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie (IV)

6 Wir und das Rätsel der Antimaterie (IV)

7 Wir basteln ein Anti-Atom 7 Wir basteln ein Anti-Atom

ATHENA (Antihydrogen Apparatus) ATHENA (Antihydrogen Apparatus)

2S

1S

p

e+ 243 nm

243 nm

2-Photon Laser Spectroscopy: DE (1S-2S) (PHASE 2)

6

Positron-Antiproton Recombination in multi-ring trap at 4.2 K 3

Antihydrogen Detection

- Annihilation products: Si Pad Detectors - 511 keV Gammas: CsI or BGO + Photodiodes 5

Antiproton Capture into Penning Trap

1

p

e+ e+

e+ e+

e+ e+ e+ e+ e+ e+

B = 3 T

B = 0.15 T

- -

- +

+ +

Positron Accumulation from Na-22 source 2

107 p / hour

Antihydrogen Storage in Magnetic Bottle Magnetic well depth ~ 0.35 K (35 meV) (PHASE 2)

4

1010 e+ / hour

ATHENA Collaboration *

Comparison H : H with precision 10^-12 ...10^-15

Data taking: 1999 -

* Aarhus, Brescia, CERN, Genoa, UC London, MIT, Pavia, Penn State, Pisa, Rio de Janeiro, Rome, Stockholm, Tokyo, Zurich (14 institutes, ~ 50 physicists)

7 Anti-Atom (II) 7 Anti-Atom (II)

Antiprotonen Antiprotonen

1

2

3

4

e^-

Degrading

Reflecting

Trapping

Cooling

Cold electron cloud

(Cooled by Synchrotron Radiation, t = 0.4 s at B = 3 T) Degrader

Solenoid (3 T)

t = 0

t = 200 ns

t = 500 ns

t = few sec

Electrode Potential Antiprotons

E < 15 keV

'hot' antiprotons

Cooling of antiprotons through Coulomb interaction with cold electrons

10 cm

1 m Beam Counters

(d ~ 100 mm)

Entrance degrader (d ~ 100 mm) + HV switch

Focussing effect by solenoid field (3 T)

7 Anti-Atom (III) 7 Anti-Atom (III)

Positronen Positronen

Electric Potential

Inelastic Collision Positron (~ few eV)

7 Anti-Atom (IV) 7 Anti-Atom (IV)

Rekombination Rekombination

Energy loss + Diffusion (~ msec) V_e+

-V_p -V_p

At energies below ~ 1 eV:

DE/dx ~ 100 meV/cm in positron plasma ( T= 4.2 K, n = 10⁸ cm^-3 )

Recombination Cold antiprotons Cold positrons

Reflective Potential

Estimate for spontaneous radiative recombination (to low-n levels):

[10⁵ antiprotons, 10⁸ positrons, L=10 cm, T = 4 K, n

b = 10 Hz ] ~ 20 - 200 antihydrogen atoms / second

7 Anti-Atom (V) 7 Anti-Atom (V)

Detektion der Annihilation Detektion der Annihilation

(Scale 1:1) 1 cm

,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,,

CsI (pure)

18 mm

17.5 mm

Superconducting Magnet Coil (3 T)

p p

p

p

H annihilation 511 keV

511 keV

Discriminate Antihydrogen Annihilation from background of Antiproton annihilation and Positron annihilation

Good spatial resolution (< 1 cm ) of vertex for - Antiproton Annihilation ( 2 prongs) - Positron Annihlation (2 x 511 keV g) Time coincidence (~ 1 msec)

High rate capability

7 Anti-Atom (VI) 7 Anti-Atom (VI)

Laser-Spektroskopie Laser-Spektroskopie

n=2

n=1

p

e+

243 nm

243 nm

v

2S

1S

2P

121 nm (Lyman-a)

(Anti)Hydrogen Level Scheme

Dn ~ 1.3 Hz

n = 2.4 · 10¹⁵ Hz DE = 10.2 eV

l = 121.5 nm