Antiprotonok a CERN-ben

Átírás

1 Antiprotonok a CERN-ben Sótér Anna Max Planck Kvantumoptikai Intézet

2 Áttekintés Hírek a CERNből, a Higgs-vadászat státusza fénynél sebesebb neturínók? Kísérletek antiprotonokkal, antihidrogén csapdázás Lézerspektroszkópiai mérések antiprotonos héliumon Technikák és eszközök az antianyag kutatásában

3 Amiről nem lesz szó... magáról a Higgs bozonról, (hogy valójában mi is az a Higgs, mi történik, ha nem lesz meg...?) a részecskefizika standard modeljéről a neutrínókról (mik azok? hogyan mérjük őket?) a fénysebességről, (c) mint határsebesség a fizikában...és sajnos még sok más fontos dologról.

4 CERN LHCb ATLAS ASACUSA CMS ALICE

5 CERN, a Gyűrűk Ura Linac2 lineáris gyorsító (50 MeV) PS Booster (1.4 GeV) PS (Proton Synchrotron, 28 GeV) SPS (Super Proton Synchrotron, 400 GeV) LHC (Large Hadron Collider, 7 TeV ütközési)

6 Einstein Képzeljünk el egy szobát, teli beszélgető fizikusokkal. (Higgs mező) Amikor egy méltán híres kollégájuk felbukkan... A Higgs mechanizmus (A CERN kedvelt magyarázata alapján)...a körülötte összegyűlő érdeklődők megnehezítik az előrehaladását (megnövelik a tehetetlen tömegét)

7 A Higgs bozon kölcsönhat a többi elemi részecskével, A proton-proton ütközésekből kaloriméterek és nyomkövető detektorok gyűjtik az adatokat... és az alábbi bomlási csatornákon képes elbomlani nyomkövető: erősen szegmentált, vékony detektorok rétegei kaloriméterek: nagy energiafelbontású. vastag detektorok

8 Dec 12. eredmények - CMS Magyarázat pl 200 GeV-re (ahol az érték 0.6): Még ha a hatáskeresztmetszet csak 0.6-szorosa volna is a standard model által jósoltnak a 200 GeV-es Higgs tömegre, akkor is 95% eséllyel kellett volna több eseményt mérni ezen a tömegen az eddig rendelkezésre álló adatokkal Zöld-sárga sáv középértéke: a standard modelből várható érték Higgs nélkül (háttér)

9 Dec 12. eredmények - ATLAS

10 Nagyítással a még nem kizárt tartományra: kb 5 GeV-es eltérés a két csúcs között (kaloriméterek felbontása 1 GeV-nél jobb) a jel sokat fluktuál, az egész tartományra nézve a szignifikanciája nem éri el a 3 szigmát sem több adatra van szükség... mert, Ha létezik a Higgs és itt van, akkor ez már az (Siklér Ferenc)

11 A (fénynél gyorsabb?) neutrínók esete A CERN-ből származó neutrínók állítólag 60 ns-al gyorsabban érkeztek Olaszországba mint a fény...

12 A kísérlet kivitelezése

13 piros: proton összesített időeloszlás fekete pontok: megmért neutrínók

14 A legjobb nagyítás amit kaptunk: konklúzió: nem tudjuk, de valamiért a kollaboráció fele nem adta a nevét a cikkhez... (az eloadas januarban volt, most marciusban mar tobbet tudunk: news/timing-glitches-dogneutrino-claim news/neutrinos-notfaster-than-light )

15 Antiproton: a proton antianyag párja Minden részecskének létezik egy antirészecske párja, mely semmi másban nem különbözik tőle, csak a töltése ellentétes. Találkozásukkor a részecske és antirészecske megsemmisítik egymást, és a tömegüknek megfelelő energia szabadul fel, fotonok és más részecskék formájában. Ennek ellenére a Világegyetemet csaknem teljes egészében anyag alkotja - sehol sem látunk pl. annihilációt galaxisok és antigalaxisok közt, sehonnan sem érkezik kósza (elsődleges) antianyag a kozmikus sugárzással a világ barionosan asszimetrikus - és ezt az ismert szimmetriasértések (CP sértés) mértéke nem magyarázza meg

16 A CPT szimmetria C - töltéstükrözés P - paritástükrözés T - időtükrözés ismereteink szerint mikroszkopikus szinten a fizikai törvények változatlanok ennek a három műveletnek az együttes elvégzésére Részecske és antirészecske azonosságát a CPT szimmetria mondja ki. Az antirészecske a számolásokban azonos egy időben visszafele haladó, ellentétes töltésű részecskével A CPT szimmetria mélyen beleépül az általunk ismert törvényekbe (Minden lokális, Lorenz-invariáns kvantumtérelmélet rendelkezik vele) Mi magyarázza tehát a barion-asszimmetriát?

17 Az Antiproton Lassító (AD) Antiproton lassítás 3.5 GeV/c -100 MeV/c (5.3 MeV mozgási energia) fő célkitűzése antihidrogén, és antiprotont tartalmazó egzotikus atomok, anyag-antianyag szimmetria vizsgálata 188 m szinkrotron Minden egyben: befogás, lassítás, hűtés, kibocsátás

18 Sztochasztikus hűtés Elektron hűtés

19 Antihidrogén-csapdázás, az ALPHA kísértlet csapdázott antiproton 2 millió pozitron 1s-ig kölcsönhattatják őket, antihidrogén keletkezik Oktupól csapda, mélysége 0.5 K Ezt lekapcsolják, vertexet rekonstruálnak

20 Kísérleti eredmények, a.) a háttérben feltüntetve a szimulált eloszlást atomok, és b.) antiprotonok esetén 34 antiprotont csapdáztak néhány milliszekundumig, de később megmutatták, hogy 1000 s-ig is képesek csapdázni

21 ASACUSA Atomic Spectroscopy and Collisions Using Slow Antiprotons 5 MeV - mikrohullámú spektroszkópia (plusz még valami...) kev - Dopplermentes lézerspektroszkópia az antiproton/elektron tömegarány meghatározására 100 ev - atomi ionizációs kísérletek < 1 ev - antihidrogén gyártás csapdában

22 ASACUSA zóna Microwire secondary electron emission detectors Parallel Plate Ionization Chamber Phosphor screens 5.3 MeV ~60keV

23 Rádiófrekvenciás kvadrupól lassító A lassító módus (202.5 MHz) egyben fókuszálja is a nyalábot A kezdeti 5.3 MeV-es antiproton nyalábot kev-re lassítja,

24 Antiprotonos hélium atomok Antiprotonok életideje anyagban általában pár ps, jóformán azonnal annihilálnak az atommagokon Viszont héliumban megálló antiproton 3%-a akár pár mikroszekundumig életben marad (1991), a jelenséget egy kötött állapot létrehozásával magyarázták Az atomok precíziós lézerspektroszkópiájával közvetett eredményt kapunk az antiproton-elektron tömegarányra, relativisztikus QED számolásokkal összevetve a kimért atomi átmeneteket keletkezése: e - rezonáns lézernyaláb π + phe π 0 π - p befogódással, ha E < 25 ev Augeremisszió antiproton annihiláció

25 Lézerrel indukált annihiláció, és az első így megmért rezonancia. Az annihiláciácó bomlástermékeit (töltött pionokat) itt Cserenkov detektorok mérték

26 Antiprotonos hélium energiaszintjei A legtöbb átmenet elérhető hagyományos lézerekkel, A precízós mérés legnagyobb ellensége viszont a Dopplerszélesedés: pár 100 MHz, ennek a kiküszöböléséhez sok fejlesztésre van szükség

27 Precíziós spektroszkópiánál a cél a pontosság növeléséhez: - minél hidegebb atom, hogy visszaszorítsa az ún. Doppler-szélesedést - a Doppler-szélesedés esetleges kiküszöbölése kétfotonos módszerekkel - minél keskenyebb vonalszélességű lézerek használata - pontos frekvenciamérés

28 Lézerek pumpáló lézer, Nd:YAG nagy energiájú, kis vonalszélességű lézerre van szükségünk, ezért pulzuslézereket használunk szilárdtest és festéklézerek adják meg a helyes frekvenvciát ezek frekvenciája egy nagyon pontos mérőrendszerhez, a frekvenciafésűhöz van rögzítve ezeket Ti:S kristályokon vagy festékcellákon erősítjük az erősítés alatt szerzett torzulásokat kompenzáljuk seed cw lézer frekvencia fésű

29 Kriosztát, 1.6 K booster szivattyú csöve hőcserélő hőpajzsok kriogén tűcsapok A konstrukció egy Joule - Thomson hőcserélőn alapul. - evaporatív hűtést érünk el egy erre alkalmas vákuumszivattyúval

30 Kriogenikus réz kamra a hélium gáznak A kriosztát és a zóna kívülről

31 A frekvenciafésű (Frequency Comb) Ultrarövid lézerimpulzusok létrehozására alkalmas femtoszekundumos (modelocked) lézerrel hozzuk létre A frekvenciafésű egy optikai színkép, amely nagyon pontos frekvenciaközű, vékony vonalakból áll. Az időbeli lefutás teljesen periodikus, nem csak a burkoló intenzitása, hanem az ahhoz viszonyított eltolódás is (CEO phase) Ezzel a színképpel interferálva a mérendő lézerfényt, a legközelebbi vonallal lebegési görbe jön létre, ebből megkapható a frekvenciakülönbség

32 Ionizáló részecske Szcintillátorok PVT vagy PS PPO (1%) 357 nm 410 nm POPOP(0.03%) ~ 10 5 foton / cm minimum ionizáló részecskékre Öntött szcintillátorok nm Extrudált szcintillátorok nm Frekvenciatoló optikai szálak a szcintillációs fény kivezetésére

33 Fotonszámlálók Speciális fotoelektronsokszorozók (gateable PMTs) Sokpixeles szilícium fotonszámlálók 1 mm Egy pixel működése pedestal Fotonszámlálás a szilícium pixelekkel: láthatjuk a diszkrét nagyságú töltéseket ADC csatornák

34 Doppler-mentes spektroszkópia Az atomokat két, egymással szemben haladó lézernyaláb együttes hatásának tesszük ki, melyeknek csak az összege adja ki az átmenetet közelség egy valós állapothoz megnöveli az átmenet valószínűségét A Doppler-szélesség lecsökken:

35 mp/me = (23) Nature 475, 484 (2011)

36 Köszönöm a figyelmet! Kérdést szívesen fogadok most, és ben is: anna.soter@cern.ch