1955. szeptember 21-én Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand és Tom Ypsilantis megtalálta az antiproton első bizonyítékát, amelyet az impulzusának és sebességének mérésével gyűjtöttek össze. A berkeley-i “Rad Lab” néven ismert laboratóriumban dolgoztak, és kísérletüket egy új gyorsítóban, a Bevatronban állították fel – egy proton szinkrotronban, amelyet úgy terveztek, hogy elérje a 6,5 GeV-os energiát, ami elegendő az antiproton előállításához egy fix célpontos kísérletben (CERN Courier 2005. november 27. oldal). Nem sokkal később a Gerson Goldhaber és Edoardo Amaldi által vezetett kapcsolódó kísérletben megtalálták a várt annihilációs “csillagokat”, amelyeket nukleáris emulziók halmazában rögzítettek (1. ábra). Negyven évvel később az antiprotonok és pozitronok kombinálásával a CERN alacsony energiájú antiprotongyűrűjében (LEAR) végzett kísérlet 1995 szeptemberében bizonyítékot gyűjtött az első néhány antihidrogénatom előállítására.

Az évtizedek során az antiprotonok a részecskefizikai vizsgálatok standard eszközévé váltak; az “antianyag” szó bekerült a köznyelvbe; az antihidrogén pedig gyorsan az alapfizikai vizsgálatok laboratóriumává válik. A CERN-ben az antiproton-lassító (AD) ma már az alacsony energiájú alapfizikai vizsgálatok fontos létesítménye, amely kiegészíti az LHC nagyenergiás határán folyó vizsgálatokat. Ez a cikk visszatekint a CERN-ben folyó antivilág-vizsgálatok néhány kiemelkedő eseményére, és bepillantást enged abba, hogy mi vár még ránk az AD-ben.

A Bevatronban 1956-ban semleges részecskék annihilációja révén felfedezték az antineutront, ami megalapozta a valódi antianyag vizsgálatát. Kezdetben mindenki tökéletes szimmetriát várt az anyag és az antianyag között a töltéskonjugáció (C), a paritás (P) és az idő megfordítása (T) műveleteinek kombinációja révén. A CP-sértés 1964-es megfigyelése után azonban nem volt nyilvánvaló, hogy az atomenergia CPT-invariancia, és hogy az antinukleonoknak antinukleonok összekapcsolódásával antinukleonokat kell létrehozniuk. Ezeket a kétségeket az antideuteron felfedezésével a CERN-ben az Antonino Zichichi által vezetett csapat, Brookhavenben pedig a Columbia Egyetem egy csapata, köztük Leon Lederman és Sam Ting (CERN Courier 2009. május 15. oldal és 2009. október 22. oldal), eloszlatta. Egy évtizeddel később a CERN szuperproton-szinkrotronjánál végzett WA33 kísérletben antihélium-3 és antitritium kimutatására került sor, miután a Serpukhov melletti Nagyenergiás Fizikai Intézet 70 GeV-os proton-szinkrotronjánál néhány jelöltet észleltek. A közelmúltban a nehézionok ütközőnyalábjainak rendelkezésre állása vezetett az antihélium-4 megfigyeléséhez a Brookhaven-i Relativistic Heavy-Ion Colliderben végzett STAR kísérletben (CERN Courier 2011. június 8. o.). A CERN-ben az ALICE kísérlet az LHC-nél hasonló tömegű és ezért kompatibilis kötési energiájú könnyű atommagok és antinukleonok keletkezését figyeli meg (2. ábra).

Exit bariónium, enter new mesons

Még 1949-ben, az antiproton felfedezése előtt Enrico Fermi és Chen-Ning Yang megjósolta a kötött nukleon-antinukleon állapotok (bariónium) létezését, amikor megjegyezték, hogy a nukleon-antinukleon rendszerben két nukleon között bizonyos taszító erők vonzóvá válhatnak. Később a dualitáson alapuló kvarkmodellek két kvarkból és két antikvarkból álló állapotok létezését jósolták, amelyeket akkor kellene megfigyelni, amikor egy proton annihilálódik egy antiprotonnal. Az 1970-es években a nukleáris potenciálmodellek a két nukleon tömege körüli kötött állapotok és rezonancia-gerjesztések sokaságát jósolták meg. Ilyen állapotokról valóban érkeztek jelentések, többek között a CERN proton-proton (pp) annihilációjában a CERN proton-szinkrotronjában (PS) megfigyelt szűk állapotokról, valamint a pp keresztmetszetének az energia függvényében végzett mérésekben (az 1940 MeV tömegű S-mezon).

A bariónium volt a fő motivációja a CERN-ben a LEAR építésének, amely több mint egy évtizedig, 1982-től 1996-ig működött (lásd a keretes írást). A LEAR-ban azonban egyik bariónium-állapotot sem sikerült megerősíteni. Az S-mezon nem volt megfigyelhető a korábban jelentett jelnél tízszer kisebb érzékenységgel a pp összkeresztmetszetben. Monoenergetikus átmeneteket kötött állapotokba szintén nem figyeltek meg. A bariónium halála a thesszaloniki Antiproton 86 konferencia egyik fő témája volt. Mi történt? A LEAR-ból származó antiprotonnyalábok magas minősége azt jelentette, hogy az összes pion elbomlott. Az antiprotonok nagy intenzitása (106/s, szemben a PS-ből kivont sugárnyalábok kb. 102/s-ával) és a nagy, 10-3-10-4-es impulzusfelbontás alacsony energiáknál döntő fontosságú volt az antiprotonok nagyon kis hatótávolság-eltolódással történő megállásához.

A nyugalmi pp-annihilációban keletkező mezonok spektroszkópiája a LEAR több kísérletében sokkal eredményesebbnek bizonyult. Ez folytatta azt a hagyományt, amely az 1960-as években kezdődött a PS 81 cm-es hidrogénbuborék-kamrájában annihilálódó antiprotonokkal, és amely a pp → (E, D → KKπ)ππ-ben az E-mezon (E for Europe, ma η(1440)) és a D-mezon (ma f1(1285)) felfedezéséhez vezetett. Az előbbi vezetett ahhoz a sokáig tartó vitához, hogy ebben a tömegtartományban létezik-e egy gluonjelölt – egy csak gluonokból álló állapot -, amelyet a SLAC e+e-ütköztetőjében, a SPEAR-ban sugárzásos J/ψ bomlásban figyeltek meg. A LEAR beindulásával az ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel és JETSET kísérletek vették át a pp annihilációban végzett mezon-spektroszkópia stafétabotját. Az ASTERIX felfedezett egy tenzormezont – az AX, ma f2(1565) -, amelyről az OBELIX is beszámolt; szerkezete még mindig tisztázatlan, bár lehet, hogy ez a megjósolt tenzor-bariónium állapot.

A Crystal Barrel a multineutrális események detektálására specializálódott. Az antiprotonokat folyékony hidrogén céltárgyban állították meg, és π0 mezonokat detektáltak γγ bomlásaikon keresztül egy 1380 CsI (Tl) kristályokból álló hordó alakú összeállításban. A 3. ábra a detektort mutatja a kísérlet által mért π0π0π0π0 pp annihiláció Dalitz-diagrammjával együtt. Az események nem egyenletes eloszlása a π0π0-ra bomló köztes rezonanciák jelenlétére utal, mint például a spin-0 mezonok f0(980) és f0(1500), valamint a spin-2 mezonok f2(1270) és f2(1565). Az f0(1500) jó jelölt egy glueballra.

A LEAR-ba történő injektáláshoz az AA-ból származó 3,5 GeV/c antiprotonokat a PS-ben lassították le 600 MeV/c-re. Miután a LEAR-ban tárolták őket, tovább lassították őket 60 MeV/c-re, majd lassan, jellemzően 106/s intenzitással kivonták őket. A LEAR 1982-ben kezdte meg működését, és 1996-os leállítása előtt 16 kísérletet hajtott végre. A LEAR mágnesgyűrű tovább él az alacsony energiájú iongyűrűben, amely a nehézionok LHC-be történő befecskendezési láncának részét képezi.

A LEAR-nek hasznára vált az Initial Cooling Experiment (ICE) is, egy tárológyűrű, amelyet az 1970-es évek végén Simon van der Meer antiprotonok sztochasztikus hűtésére vonatkozó ötletének tesztelésére, majd később az elektronok hűtésének vizsgálatára terveztek. Lényeges módosítások után az ICE elektronhűtője a LEAR-nál az antiprotonok hűtését segítette, és most a CERN jelenlegi antiproton-létesítményében, az AD-ben szolgál (CERN Courier 2009. szeptember 13. o.). Az ICE hozzájárult az antiprotonokkal kapcsolatos mérésekhez is, amikor 1978 augusztusában sikeresen tárolta az antiprotonokat 2,1 GeV/c-nél – ami világelső volt -, és 32 órán keresztül keringésben tartotta őket. Az antiproton élettartamának korábbi legjobb, buborékkamrás kísérletekből származó kísérleti mérése kb. 10-4 s volt; most már tudjuk, hogy több mint 8 × 105 év.

Fundamentális szimmetriák

A CPT-tétel azt tételezi, hogy a fizikai törvények változatlanok maradnak, ha a CPT kombinált műveletét végzik. A CPT-invariancia a kvantumtérelméletekben bizonyos követelmények, például a Lorentz-invariancia és a pontszerű elemi részecskék feltételezéséből adódik. A CPT megsértése azonban nagyon kis hosszskálákon lehetséges, és a részecskék és antirészecskék tulajdonságai, például az élettartam, a tehetetlenségi tömeg és a mágneses momentum közötti csekély különbségekhez vezethet.

A LEAR-ban a TRAP kollaboráció (PS196) úttörő kísérletsorozatot végzett a proton és az antiproton töltés-tömeg arányának pontos összehasonlítására, hideg elektromágneses (Penning) csapdában tárolt antiprotonok segítségével. Egyetlen tárolt antiproton jelét lehetett megfigyelni, és az antiprotonokat akár két hónapig is tárolták a csapdában. A keringő antiprotonok ciklotronfrekvenciáját egy oszcillátorral mérve és az ugyanabban a csapdában lévő H-ionok ciklotronfrekvenciájával összehasonlítva a csapat végül 9 × 10-11-es szintű eredményt ért el. A kísérletben protonok helyett H-ionokat használtak, hogy elkerüljék a torzításokat az elektromos és mágneses mezők előjelének felcserélésekor.

A CPT-invariancia feltételezése alapján a CP-szimmetria megsértése, amelyet először 1964-ben a semleges kaonrendszerben figyeltek meg, azt jelenti, hogy a T-invariancia is sérül. A CPLEAR-kísérlet azonban 1998-ban kimutatta a T szimmetriasértést a semleges kaonrendszerben anélkül, hogy CPT-megmaradást feltételeznénk (CERN Courier 1999. március 21. o.). A K0 és a K0 az idő függvényében egymásba morfondírozik, és a T megsértése azt jelenti, hogy egy adott t időpontban a K0 megtalálásának valószínűsége, amikor eredetileg egy K0 keletkezett, nem egyenlő azzal a valószínűséggel, amikor egy K0 keletkezett. A CPLEAR a kezdeti kaon azonosságát a hozzá tartozó töltött kaon előjelének mérésével állapította meg a pp → K+K0π- vagy K-K0π+ annihilációban; a t időpontban keletkezett kaon előjelére a K0 → π+e- ν és K0 → π-e+ν bomlások detektálásával következtettek. A 4. ábrán látható, hogy valóban megfigyeltünk egy kis aszimmetriát, ami összhangban van a CP-sértésből származó várakozásokkal, feltételezve a CPT-invarianciát.

A CPT-tétel azt is megjósolja, hogy az anyagnak és az antianyagnak azonos atomi gerjesztési spektrummal kell rendelkeznie. Az antihidrogént – a semleges antianyag legegyszerűbb formáját, amely egy antiproton körül keringő pozitronból áll – először a LEAR PS210 kísérletében figyelték meg. A keringő 1,9 GeV/c belső antiprotonnyaláb egy xenon-halmazos jet céltárgyon haladt át, lehetővé téve egy e+e- pár keletkezését, amikor egy antiproton áthaladt egy xenonmag Coulomb-mezején. Az e+-t ezután az antiproton befoghatta, és 1,9 GeV/c impulzusmomentumú, elektromosan semleges antihidrogént képezhetett, amely a pionokká és fotonokká történő annihilációja révén tovább lefelé detektálható volt. Ez a keletkezési folyamat meglehetősen ritka, de ennek ellenére a PS210 kollaboráció kilenc antihidrogén atomra vonatkozó bizonyítékról számolt be, mintegy két hónapos adatfelvételt követően 1995 augusztus-szeptemberében, és csak hónapokkal a LEAR leállítása előtt. Az antihidrogén megfigyelését két évvel később a Fermilab antiproton-akkumulátorában is megerősítették, bár sokkal kisebb termelési keresztmetszettel.

Az AD-nél

A CERN-ben az antihidrogén történetének új fejezete 2000-ben nyílt meg az AD beindításával, amely az antiprotonokat 100 MeV/c-re lassítja, majd az antianyaggal és atomfizikával kapcsolatos kísérletekhez kivonja őket (CERN Courier 1999. november 17. o.). A PS210 kísérletben antihidrogént próbáltak repülés közben előállítani, de például az antihidrogén spektroszkópiájának tanulmányozásához sokkal kényelmesebb az antihidrogén atomokat elektromágneses csapdákban tárolni, ahogyan azt a TRAP is tette antiproton-kísérleteiben. Ehhez az antihidrogént nagyon alacsony energiákon kell előállítani, amit az AD segít elérni.

2002-ben az ATHENA és az ATRAP kísérletek az AD-nél nagyszámú lassú antihidrogén atomok keletkezését mutatták ki (CERN Courier 2002. novemberi p5és 2002. decemberi p5). Az ATHENA elnyelő fóliákat használt, hogy az AD-ből érkező antiprotonok energiáját néhány kilo-elektronvoltra csökkentse. Az antiprotonnyaláb egy kis részét ezután egy Penning-csapdában fogták be, míg a radioaktív nátriumforrásból származó pozitronokat egy második csapdában tárolták. Az antiproton- és pozitronfelhőket ezután egy harmadik csapdába vitték, és átfedésbe hozták, hogy elektromosan semleges antihidrogént hozzanak létre, amely a kriosztát falához vándorolt és megsemmisült. Az antihidrogén detektor két réteg szilícium mikrocsíkot tartalmazott az antiproton annihilációból származó töltött pionok követésére; egy 192 CsI kristályból álló tömb pedig a pozitron annihilációból származó fotonok energiáját detektálta és mérte (5. ábra). A kísérlet során körülbelül egymillió antihidrogénatom keletkezett, ami másodpercenként átlagosan 10 antiatomnak felel meg.

Az antihidrogénnek mágneses dipólusmomentuma van (a pozitroné), ami azt jelenti, hogy inhomogén mágneses térben is befogható. Az első kísérletet erre az AD-ben az ALPHA kísérlet tette, amely 38 antihidrogén atomot fogott be sikeresen egy oktupoláris mágneses térben (CERN Courier 2011. március 13. o.). A kezdetben 172 ms-os antihidrogén tárolási időt később mintegy 15 percre növelték, ezzel megnyitva az utat az atomspektroszkópiai kísérletek előtt. A CPT érzékeny tesztje az antihidrogén atomban a szingulett spinállapotokból a triplett spinállapotokba való átmenet (hiperfinom hasadás, vagy HfS) előidézése, és az átmenetenergia összehasonlítása a nagyon nagy pontossággal ismert hidrogén energiájával. Az ALPHA végezte az első sikeres kísérleteket a HfS mérésére mikrohullámú sugárzással, és sikerült megfordítani a pozitron spinjét, valamint 23 antihidrogénatomot kilökni a csapdából (CERN Courier 2012. április 7. o.).

Egy alternatív megközelítés egy Stern-Gerlach-típusú kísérlet elvégzése antihidrogénnyalábbal. Az ASACUSA kísérletben egy anti-Helmholtz-tekercset (cusp trap) használtak arra, hogy az antihidrogén atomokra erőt gyakoroljanak, és kiválasszák azokat, amelyek egy adott pozitron spinállapotban vannak. A polarizáció ezután a megfelelő frekvenciájú mikrohullámokkal megfordítható. Az első sikeres teszt során 80 antihidrogénatomot detektáltak a termelő régiótól lefelé (CERN Courier 2014. március 5. o.).

Az ASACUSA kollaboráció szintén tesztelte a CPT-t, héliumban megállított antiprotonokkal. Az antiproton befogása a két keringő elektron egyikének kilökésével történt, a keletkező antiprotonos héliumatom pedig egy magas szintű, hosszú életű, lézeres gerjesztésre alkalmas atomi állapotban maradt. Két ellentétesen terjedő lézersugarat használva (a termikus mozgás okozta Doppler-szélesedés csökkentése érdekében) a csoport 1,3 ppb pontossággal tudta meghatározni az antiproton-elektron tömegarányt (CERN Courier 2011. szeptember 7. oldal). A proton és az antiproton töltés-tömeg arányának korábbi összehasonlítását 0,09 ppb pontossággal végezte el a TRAP kollaboráció a LEAR-on, amint azt fentebb leírtuk. Az ASACUSA és a TRAP eredményeinek kombinálásával a proton és az antiproton tömegét és töltését 0,7 ppb alatti pontossággal azonosnak határozták meg.

A TCPT azt is megköveteli, hogy egy részecske mágneses momentuma egyenlő (mínusz) legyen az antirészecskéjével. Az AD-ben most folyó BASE kísérletben az antiproton mágneses nyomatékát 1 ppb-ig fogják meghatározni a spinfüggő axiális oszcillációs frekvencia mérésével egy erős mágneses térgradiensnek kitett Penning-csapdában. A kísérleti megközelítés hasonló ahhoz, amellyel a proton mágneses nyomatékát 3 ppb pontossággal mérték (CERN Courier 2014. július/augusztus 8. oldal). A kollaboráció már összehasonlította az antiproton és a proton töltés-tömeg arányát, 6,9 × 10-11-es tört pontossággal (p7).

A gyenge ekvivalenciaelvet (WEP), amely szerint gravitációs mezőben minden tárgy pontosan ugyanúgy gyorsul, még soha nem tesztelték antianyaggal. A pozitronokkal vagy antiprotonokkal végzett kísérletek eddig kudarcot vallottak a szórt elektromos vagy mágneses mezők miatt. Ezzel szemben az elektromosan semleges antihidrogén atom ideális szonda a WEP tesztelésére. Az AEgIS együttműködés az AD-nél azt tervezi, hogy egy kétrácsos deflektométerrel mérik az antihidrogénnyaláb megereszkedését tipikusan 1 m-es távolságon keresztül. A gravitáció által indukált moiré-mintázat elmozdulását nagy felbontással (kb. 1 μm) mérik majd a nukleáris emulzió segítségével (6. ábra) – ugyanazzal a detektálási technikával, amellyel 1956-ban a Bevatronban az antiproton annihilációját mutatták ki.

A jövő az ELENA

A jövőbeni antianyaggal végzett kísérletek a CERN-ben az Extra Low ENergy Antiproton (ELENA) projektből fognak profitálni, amely 2017 végén kezd működni. Az antiprotonok befogási hatásfoka az AD-nél végzett kísérletekben jelenleg nagyon alacsony (kevesebb mint 0,1%), mert a legtöbbjük elveszik, amikor az AD-ből érkező 5 MeV-os sugárnyalábot az elektromágneses csapdák zárófeszültségéhez szükséges néhány kilo-elektronvoltra degradálják. Ennek kiküszöbölésére az ELENA – egy 30 m kerületű, elektronhűtéses tárológyűrű, amely az AD-csarnokban lesz elhelyezve – az antiprotonokat tipikusan 100 keV-ra lassítja le. A csapdakísérletek ellátására gyors extrakciót terveznek (szemben a LEAR-ban rendelkezésre álló lassú extrakcióval).

Az egyik kísérlet, amely profitálni fog ebből az új létesítményből, a GBAR, amelynek célja szintén az antihidrogén gravitációs gyorsulásának mérése. Pozitronokat fognak előállítani egy 4,3 MeV-os elektron linacban, és pozitív antihidrogén-ionok (azaz egy antiproton két pozitronnal) előállítására fogják használni, amelyeket át lehet juttatni egy elektromágneses csapdába és 10 mK-ra lehűteni. Egy másik csapdába való áthelyezés után, ahol az egyik pozitron leválik, az antihidrogént függőlegesen, kb. 1 m/s átlagsebességgel kilövik (CERN Courier 2014. március 31. oldal).

Az antiproton felfedezése Berkeleyben egy hétórás futás során megfigyelt mintegy 60 antiprotonon alapult. Az 1,2 GeV/c sugár 5 × 104-gyel több piont tartalmazott, mint antiprotont. Ma az AD 100 másodpercenként 100 MeV/c-nél mintegy 3 × 107 antiproton tiszta sugárnyalábot bocsát ki, ami a világon egyedülállóvá teszi a CERN-laboratóriumot az antianyag-vizsgálatok terén. Az évtizedek során az antiprotonnyalábok új mezonok felfedezéséhez vezettek, és lehetővé tették az anyag és az antianyag közötti szimmetriák pontos vizsgálatát. Most a hidrogén és az antihidrogén tulajdonságait hasonlítják össze, és az ELENA-val pontos vizsgálatokat fognak végezni. A pontos szimmetria megsértésének esélye csekély, mivel a CPT-tétel a fizika alaptörvénye. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy – mint a paritás meg nem tartásának meglepő felfedezése 1957-ben és a CP-sértés 1964-ben – végül is a kísérleteké lesz az utolsó szó.