Milyen nehéz az antiproton?

Átírás

1 Milyen nehéz az antiproton? avagy: (sok)minden, amit az ASACUSA* kísérletről tudni akartál Barna Dániel Tokyoi Egyetem MTA Wigner FK Sótér Anna Max Planck Institut, Garching Horváth Dezső MTA Wigner FK ( és természetesen még néhány nem-magyar) *Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons

2

3

4 CERN AD & Asacusa Lassítás: 3.57 GeV/c 100 MeV/c (Ekin=5.3 MeV) Sztochasztikus & elektron hűtés 1 bunch (~107 P) / 100 s ATRAP (H) ALPHA (H) ASACUSA (H, P-He, de/dx, σannihil)

5 Mi az antianyag? A Dirac-elmélet jóslata szerint (1928) a világ kettős, minden anyagi részecskének létezik egy antirészecskéje. Ezt annak idején szkeptikusan fogadták, nehéz volt értelmezni, a kísérletek azonban teljes mértékben igazolták: - pozitron (1932): Carl Anderson - antiproton (1955): Emilio Segrè, Owen Chamberlain - stb

6 Mik a természet szimmetriái?

7 Mik a természet szimmetriái?

8 Mik a természet szimmetriái? Tü kö r?

9 Mik a természet szimmetriái? Tü kö r va gy ne m tü kö r? Ha nem tudjuk eldönteni pusztán a megfigyelt jelenség alapján, akkor ez a művelet (azaz a tértükrözés: P) szimmetria. (a jelenség és a tükrözöttje is megtörténhet) Ha filmen nézünk egy jelenséget, és nem tudjuk eldönteni hogy a filmet visszafele pörgetik-e, akkor az időtükrözés (T) ennek a jelenségcsoportnak szimmetriája

10 Mik a természet szimmetriái? Mindennapjainkban sok jelenségnek a T és P szimmetriája. A részecskefizikában azonban csak a következő három transzformáció együttese szimmetria: C P T részecske antirészecske tértükrözés időtükrözés A STANDARD MODELL (ami nagyon jól működik) nagyon mélyen ezen alapul, következményei pl: m = mantirészecske részecske q = qantirészecske részecske De nincs-e mégis egy nagyon kicsi szimmetriasértés? És miért nem látunk antigalaxisokat?

11 Mennyi az antiproton (p) tömege? mp = mp? Nagypontosságú méréshez el kell kapni az antiprotont Penning csapda (sztatikus elektromos és mágneses tér) Antiprotonos atom (antiproton helyettesít egy elektront)

12 Exotikus (antiprotonos) atomok P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából mp (precízió: 5 x 10-5)

13 Exotikus (antiprotonos) atomok P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából mp (precízió: 5 x 10-5) Antiprotonos hélium mag + P + elektron magasan gerjesztett Rydberg állapotban (n~38, l~n-1)

14 Exotikus (antiprotonos) atomok P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából mp (precízió: 5 x 10-5) Antiprotonos hélium egyedülálló! mag + P + elektron magasan gerjesztett Rydberg állapotban (n~38, l~n-1) ~3% metastabil állapotban (τ=3-4 μs) antiproton atomi átmenetei a látható tartományban vannak # of annihilations [a.u.] 97% 3% metastable Idő [μs]

15 Exotikus (antiprotonos) atomok P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából mp (precízió: 5 x 10-5) Antiprotonos hélium egyedülálló! mag + P + elektron magasan gerjesztett Rydberg állapotban (n~38, l~n-1) ~3% metastabil állapotban (τ=3-4 μs) antiproton atomi átmenetei a látható tartományban vannak } Antiprotonos hélium lézerspektroszkópiája (igen pontos!) antiproton tömege

16 Kísérleti programunk Mérjük ki az antiprotonos hélium atomi átmeneteinek frekvenciáját: νexp Hasonlítsuk össze elméleti 3-test QED számolások eredményével: νth Interpretáció: 1) Megegyeznek-e, feltételezve hogy mp = mp? 2) νth = νth(mhe, q, me, mp) Pontosabban ismert konstansok ismeretében (R,mHe) νth = νth(mp/me) νexp mp/me Elég ez a néhány mikroszekundum arra, hogy igen pontos mérést végezzünk?

17 A nagy és a kicsi... Méret Élethossz Pulzus 3 méter ~cm 8 cm 32 pm 70 év akár több hónap 1 év 2-3 mikroszekundum magnetron, axiális, cyclotron frekvencia 10 khz MHz 550/perc p atomi átmenet THz 28/perc Nehéz elkapni, manipulálni kell az eszközünket Könnyű elkapni: csak tedd oda a csapdát/héliumot, és várj hogy beleszaladjon

18 A nagy és a kicsi... Méret Élethossz Pulzus 3 méter ~cm 8 cm 32 pm 70 év akár több hónap 1 év 2-3 mikroszekundum magnetron, axiális, cyclotron frekvencia 10 khz MHz 550/perc p atomi átmenet THz 28/perc Nehéz elkapni, manipulálni kell az eszközünket Könnyű elkapni: csak tedd oda a csapdát/héliumot, és várj hogy beleszaladjon

19 A lézerspektroszkópia elve P főkvantumszám mellékkvantumszám

20 A lézerspektroszkópia elve

21 ION

22 Gázbeli ütközések (Stark mixing) π π π S-pályán antiproton annihilál a maggal. Detektáljuk a pionokat!

23 A lézerspektroszkópia elve Annihilációs csúcs a lézerimpulzussal egy időben Az annihilációs csúcs méretét ábrázoljuk a lézerfrekvencia függvényében.

24

25 Céltárgy: T=15 K (újabban 1.7K) hélium gáz Cherenkov detektor (pionokra)

26 1-foton átmenetek [PRL 96, (2006)] 12 atomi átmenetet kimérve: Mp/me = (5) [3 x 10-9]

27 2-foton átmenetek [Nature 475, 484 (2011)] 1-photon átmenet (36,34) (35,33) [PRL 96, (2006) ] 1 P 4He (36,34) (34,32) 2 1 2= atomic Hőmozgás Lézer frekvencia - elmélet [GHz] P 4He (33,32) (31,30) P He (35,33) (33,31) Lézer frekvencia - elmélet [GHz] Ezt a 3 atomi átmenetet kimérve: Lézer frekvencia - elmélet [GHz] Mp/me = (23) [1.3 x 10-9]

28 Az (anti)proton-elektron tömegarány proton CPT teszt: proton-antiproton tömegének összehasonlítása Korábbi 1-foton eredmények

29 proton Az (anti)proton-elektron tömegarány Feltételezve hogy CPT igaz, és proton=antiproton e négy kísérlet adta a 2006-os hivatalos proton-elektron tömegarányt Korábbi 1-foton eredmények

30 proton Az (anti)proton-elektron tömegarány Legutóbbi 2-foton eredmények CPT tesztként: egyezés a CODATA2002 mp/me tömegaránnyal: 1.3 x 10-9 P/e arány közelíti a P/e arány pontosságát

31 proton Az (anti)proton-elektron tömegarány A jelenlegi hivatalos proton-elektron tömegarányt az ASACUSA és más kísérletek eredményei határozzák meg

32 Epilógus mp = mp (hibahatáron belül) Az ASACUSA eredményei is hozzájárulnak a jelenlegi hivatalos proton-elektron tömegarányhoz. Az általunk mért antiproton-elektron tömegarány kezdi megközelíteni pontosságban a proton-elektron tömegarányt A mérések ebben a pillanatban is folynak, immár T=1.7 K-en (egy- és két-foton spektroszkópia). Előzetes: a pontosságban további javulás váható.