Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand en Tom Ypsilantis vonden op 21 september 1955 hun eerste bewijs van het antiproton, verzameld door metingen van zijn momentum en zijn snelheid. Zij werkten in wat bekend stond als het “Rad Lab” in Berkeley en hadden hun experiment opgezet in een nieuwe versneller, het Bevatron – een proton synchrotron ontworpen om een energie van 6,5 GeV te bereiken, voldoende om een antiproton te produceren in een experiment met een vast doel (CERN Courier november 2005 p27). Kort daarna werden in een verwant experiment onder leiding van Gerson Goldhaber en Edoardo Amaldi de verwachte annihilatie-“sterren” gevonden, vastgelegd in stapelingen van nucleaire emulsies (figuur 1). Veertig jaar later werd door een combinatie van antiprotonen en positronen bij een experiment in de Low Energy Antiproton Ring (LEAR) bij CERN in september 1995 het bewijs geleverd voor de productie van de eerste paar antihydrogeenatomen.

In de loop van de decennia zijn antiprotonen een standaardinstrument geworden voor studies in de deeltjesfysica; het woord “antimaterie” is ingeburgerd in het gangbare taalgebruik; en antihydrogeen is hard op weg een laboratorium te worden voor onderzoek in de fundamentele fysica. Bij CERN is de antiproton-decelerator (AD) nu een belangrijke faciliteit voor onderzoek naar fundamentele natuurkunde bij lage energieën, die een aanvulling vormt op het onderzoek bij de LHC op het hoge-energiegrensgebied. In dit artikel wordt teruggeblikt op een aantal hoogtepunten in het onderzoek naar de antimaterie bij CERN, en wordt een blik geworpen op wat de AD nog in petto heeft.

Terug bij het Bevatron volgde in 1956 de ontdekking van het antineutron door annihilatie van neutrale deeltjes, waarmee de weg werd vrijgemaakt voor het onderzoek naar echte antimaterie. Aanvankelijk verwachtte iedereen perfecte symmetrie tussen materie en antimaterie door de combinatie van de operaties van ladingsconjugatie (C), pariteit (P) en tijdomkering (T). Na de waarneming van CP-schending in 1964 was het echter niet vanzelfsprekend dat de kernkrachten CPT-invariant waren en dat antinucleonen zich zouden binden om antinuclei te vormen. Deze twijfels werden weggenomen met de ontdekking van het antideuteron in CERN door een team onder leiding van Antonino Zichichi, en in Brookhaven door een team van Columbia University, waaronder Leon Lederman en Sam Ting (CERN Courier mei 2009 p15 en oktober 2009 p22). Een decennium later doken bewijzen op voor anti-helium-3 en antitritium in het WA33-experiment in het superproton-synchrotron van CERN, nadat enkele kandidaten waren waargenomen in het 70 GeV-proton-synchrotron in het Institute for High Energy Physics nabij Serpukhov. Meer recent heeft de beschikbaarheid van botsende bundels zware ionen geleid tot de waarneming van anti-helium-4 door het STAR-experiment in de Relativistic Heavy-Ion Collider van Brookhaven (CERN Courier juni 2011 p8). Bij CERN wordt met het ALICE-experiment bij de LHC de productie waargenomen van lichte kernen en antikernen met vergelijkbare massa’s en dus compatibele bindingsenergieën (figuur 2).

Exit baryonium, enter new mesons

Terug in 1949, vóór de ontdekking van het antiproton, voorspelden Enrico Fermi en Chen-Ning Yang het bestaan van gebonden nucleon-antinucleon toestanden (baryonium), toen zij opmerkten dat bepaalde afstotende krachten tussen twee nucleonen aantrekkelijk konden worden in het nucleon-antinucleon systeem. Later voorspelden quarkmodellen op basis van dualiteit het bestaan van toestanden bestaande uit twee quarks en twee antiquarks, die zouden moeten worden waargenomen wanneer een proton annihileert met een antiproton. In de jaren zeventig voorspelden de nucleaire potentiaalmodellen een overvloed aan gebonden toestanden en resonantie-excitaties rond de tweenucleonmassa. Er waren inderdaad meldingen van dergelijke toestanden, waaronder nauwe toestanden die werden waargenomen bij antiproton-proton (pp) annihilatie in de Proton Synchrotron (PS) van CERN en bij metingen van de pp doorsnede als functie van energie (het S meson met een massa van 1940 MeV).

Baryonium was de belangrijkste motivatie voor de bouw bij CERN van LEAR, die meer dan een decennium duurde van 1982 tot 1996 (zie kader). Geen van de baryonium toestanden werd echter bevestigd bij LEAR. Het S meson werd niet waargenomen met een gevoeligheid die 10 maal lager was dan het eerder gerapporteerde signaal in de pp-totaaldoorsnede. Monoenergetische overgangen naar gebonden toestanden werden ook niet waargenomen. De dood van baryonium was een belangrijk onderwerp voor de Antiproton 86 Conferentie in Thessaloniki. Wat was er gebeurd? De hoge kwaliteit van de antiprotonbundels van LEAR betekende dat alle pionen waren vervallen. De hoge intensiteit van de antiprotonen (106/s vergeleken met ongeveer 102/s in geëxtraheerde bundels aan de PS) en een hoge impulsresolutie van 10-3-10-4 was van cruciaal belang bij lage energieën voor antiprotonen die met een zeer kleine reikwijdte stoppen.

De spectroscopie van mesonen geproduceerd bij pp-annihilatie in rust in verschillende experimenten bij LEAR bleek veel vruchtbaarder te zijn. Hiermee werd een traditie voortgezet die in de jaren zestig was begonnen met de annihilatie van antiprotonen in de 81 cm grote waterstofbelkamer van de PS, wat leidde tot de ontdekking van het E-meson (E voor Europa, nu het η(1440)) en het D-meson (nu het f1(1285)) in pp → (E, D → KKπ)ππ. De eerste leidde tot de langdurige controverse over het bestaan in dit massagebied van een kandidaat-glueball – een toestand die alleen uit gluonen bestaat – die werd waargenomen in radiatief J/ψ-verval bij SLAC’s e+e- collider, SPEAR. Met de start van LEAR hebben de experimenten ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel en JETSET het stokje overgenomen van de mesonspectroscopie bij pp-annihilatie. ASTERIX ontdekte een tensormeson – de AX, nu de f2(1565) – dat ook door OBELIX werd gerapporteerd; de structuur ervan is nog onduidelijk, hoewel het de voorspelde tensor baryoniumtoestand zou kunnen zijn.

Crystal Barrel specialiseerde zich in de detectie van multineutrale gebeurtenissen. De antiprotonen werden gestopt in een vloeibaar-waterstof-target en π0 mesonen werden gedetecteerd via hun γγ-verval in een tonvormige assemblage van 1380 CsI (Tl)-kristallen. Figuur 3 toont de detector samen met een Dalitz-plot van pp-annihilatie in π0π0π0, gemeten door het experiment. De niet-uniforme verdeling van de gebeurtenissen wijst op de aanwezigheid van intermediaire resonanties die vervallen in π0π0, zoals de spin-0 mesonen f0(980) en f0(1500), en de spin-2 mesonen f2(1270) en f2(1565). Het f0(1500) is een goede kandidaat voor een glueball.

Voor injectie in LEAR werden de 3,5 GeV/c antiprotonen uit de AA in de PS vertraagd tot 600 MeV/c. Eenmaal opgeslagen in LEAR, werden ze verder vertraagd tot 60 MeV/c en dan langzaam geëxtraheerd met een typische intensiteit van 106/s. LEAR werd in 1982 opgestart en er vonden maar liefst 16 experimenten plaats voordat het in 1996 buiten bedrijf werd gesteld. De LEAR-magneetring leeft voort in de Low Energy Ion Ring, die deel uitmaakt van de injectieketen voor zware ionen in de LHC.

LEAR profiteerde ook van het Initial Cooling Experiment (ICE), een opslagring die eind jaren zeventig werd ontworpen om het idee van Simon van der Meer over stochastische koeling van antiprotonen te testen, en later om elektronenkoeling te onderzoeken. Na essentiële aanpassingen ging de elektronenkoeler van ICE helpen bij het koelen van antiprotonen bij LEAR, en doet hij nu dienst in de huidige antiprotonenfaciliteit van CERN, de AD (CERN Courier september 2009 p13). ICE heeft ook bijgedragen tot metingen aan antiprotonen, toen het in augustus 1978 met succes antiprotonen opsloeg bij 2,1 GeV/c – een wereldprimeur – en ze 32 uur lang in circulatie hield. De vorige beste experimentele meting van de levensduur van antiprotonen, op basis van experimenten in de bubbelkamer, was ongeveer 10-4 s; nu is bekend dat deze meer dan 8 × 105 jaar bedraagt.

Fundamentele symmetrieën

De CPT-theorie postuleert dat natuurkundige wetten gelijk blijven wanneer de gecombineerde operatie van CPT wordt uitgevoerd. CPT-invariantie vloeit voort uit de aanname in kwantumveldentheorieën van bepaalde eisen, zoals Lorentz-invariantie en puntachtige elementaire deeltjes. Schending van CPT is echter mogelijk op zeer kleine lengteschalen, en zou kunnen leiden tot kleine verschillen tussen de eigenschappen van deeltjes en antideeltjes, zoals levensduur, traagheidsmassa en magnetisch moment.

Bij LEAR heeft de TRAP samenwerking (PS196) een serie baanbrekende experimenten uitgevoerd om nauwkeurig de lading-massa verhoudingen van het proton en het antiproton te vergelijken, gebruik makend van antiprotonen opgeslagen in een koude elektromagnetische (Penning) val. Het signaal van een enkel opgeslagen antiproton kon worden waargenomen, en antiprotonen konden tot twee maanden in de val worden opgeslagen. Door de cyclotronfrequentie van de ronddraaiende antiprotonen te meten met een oscillator en deze te vergelijken met de cyclotronfrequentie van H-ionen in dezelfde val, bereikte het team uiteindelijk een resultaat op het niveau van 9 × 10-11. Het experiment gebruikte H-ionen in plaats van protonen om vertekeningen te voorkomen bij het omkeren van de tekens van de elektrische en magnetische velden.

Onder de aanname van CPT invariantie, impliceert de schending van CP symmetrie voor het eerst waargenomen in het neutrale kaon systeem in 1964 dat de T invariantie ook geschonden is. In 1998 heeft het CPLEAR experiment echter de schending van T in het neutrale kaon systeem aangetoond zonder aanname van CPT behoud (CERN Courier maart 1999 p21). De K0 en de K0 veranderen in elkaar als functie van de tijd, en de schending van T impliceert dat op een gegeven tijdstip t de kans om een K0 te vinden wanneer aanvankelijk een K0 werd geproduceerd, niet gelijk is aan de kans om een K0 te vinden wanneer een K0 werd geproduceerd. CPLEAR stelde de identiteit van het initiële kaon vast door het teken van het bijbehorende geladen kaon in de annihilatie pp → K+K0π- of K-K0π+ te meten; dat van het kaon op tijdstip t werd afgeleid door de vervaltijden K0 → π+e- ν en K0 → π-e+ν te detecteren. Figuur 4 laat zien dat er inderdaad een kleine asymmetrie werd waargenomen, consistent met de verwachtingen van CP-schending, uitgaande van CPT invariantie.

Het CPT theorema voorspelt ook dat materie en antimaterie identieke atomaire excitatiespectra zouden moeten hebben. Antihydrogeen – de eenvoudigste vorm van neutrale antimaterie bestaande uit een positron dat om een antiproton cirkelt – werd voor het eerst waargenomen in het PS210 experiment bij LEAR. De circulerende 1,9 GeV/c interne antiproton bundel doorkruiste een xenon-cluster jet target, waardoor de mogelijkheid ontstond dat een e+e- paar werd geproduceerd als een antiproton door het Coulomb veld van een xenon kern ging. Het e+ kan dan door het antiproton worden gevangen om elektrisch neutraal antihydrogeen te vormen met een momentum van 1,9 GeV/c, dat verder stroomafwaarts kan worden gedetecteerd door zijn annihilatie in pionen en fotonen. Dit productieproces is vrij zeldzaam, maar niettemin meldde de PS210-samenwerking bewijs voor negen antihydrogeenatomen, na ongeveer twee maanden gegevens verzamelen in augustus-september 1995, en slechts enkele maanden voordat LEAR werd stopgezet. De waarneming van antihydrogeen werd twee jaar later bevestigd in de Antiproton Accumulator van Fermilab, zij het met een veel kleinere productiedoorsnede.

Aan de AD

Een nieuw hoofdstuk in het verhaal van antihydrogeen bij CERN opende in 2000 met het opstarten van de AD, die antiprotonen vertraagt tot 100 MeV/c, alvorens ze eruit te halen voor experimenten met antimaterie en atoomfysica (CERN Courier november 1999 p17). Het PS210 experiment had geprobeerd om antihydrogeen te maken tijdens de vlucht, maar om bijvoorbeeld de spectroscopie van antihydrogeen te bestuderen, is het veel handiger om antihydrogeenatomen op te slaan in elektromagnetische vallen, net zoals TRAP had gedaan in zijn antiprotonenexperimenten. Hiervoor moet antihydrogeen worden geproduceerd bij zeer lage energieën, wat met de AD kan worden bereikt.

In 2002 hebben de ATHENA- en ATRAP-experimenten in het AD de productie aangetoond van grote aantallen trage antihydrogeenatomen (CERN Courier november 2002 p5en december 2002 p5). ATHENA gebruikte absorberende folies om de energie van de antiprotonen uit het AD te reduceren tot enkele kilo-elektronvolt. Een klein deel van de antiprotonenbundel werd vervolgens opgevangen in een Penning-val, terwijl positronen afkomstig van een radioactieve natriumbron werden opgeslagen in een tweede val. De antiproton- en positronwolken werden vervolgens overgebracht naar een derde val en lieten elkaar overlappen om elektrisch neutraal antihydrogeen te produceren, dat naar de wanden van de cryostaat migreerde en annihileerde. De antihydrogeendetector bevatte twee lagen silicium microstrips om de geladen pionen van de antiproton-annihilatie te volgen; een array van 192 CsI-kristallen detecteerde en mat de energie van de fotonen van de positron-annihilatie (figuur 5). In de loop van het experiment werden ongeveer een miljoen antihydrogeenatomen geproduceerd, hetgeen overeenkomt met een gemiddelde snelheid van 10 antiatomen per seconde.

Antihydrogeen heeft een magnetisch dipoolmoment (dat van het positron), hetgeen betekent dat het kan worden gevangen in een inhomogeen magnetisch veld. De eerste poging daartoe werd in het AD uitgevoerd door het ALPHA-experiment, dat met succes 38 antihydrogeenatomen ving in een octupolair magnetisch veld (CERN Courier maart 2011 p13). De aanvankelijke opslagtijd voor antihydrogeen van 172 ms werd later verlengd tot ongeveer 15 minuten, waarmee de weg werd vrijgemaakt voor atoomspectroscopie-experimenten. Een gevoelige test van CPT is het induceren van overgangen van singlet- naar triplet-spintoestanden (hyperfinesplitsing, of HfS) in het antihydrogeenatoom, en de overgangsenergie te vergelijken met die voor waterstof, die met zeer grote precisie bekend is. ALPHA deed de eerste succesvolle pogingen om de HfS te meten met microgolfstraling, waarbij het erin slaagde de positronspin om te draaien en 23 antihydrogeenatomen uit de val te werpen (CERN Courier april 2012 p7).

Een alternatieve benadering is het uitvoeren van een Stern-Gerlach-type experiment met een antihydrogeenbundel. Het ASACUSA-experiment heeft een anti-Helmholtz-spoel (cusp trap) gebruikt om krachten uit te oefenen op de antihydrogeenatomen en die te selecteren in een bepaalde positronspintoestand. De polarisatie kan dan worden omgedraaid met microgolven van de juiste frequentie. Bij een eerste succesvolle test werden 80 antihydrogeenatomen stroomafwaarts van het productiegebied gedetecteerd (CERN Courier maart 2014 p5).

De ASACUSA-samenwerking heeft ook CPT getest, met antiprotonen die in helium zijn gestopt. Het antiproton werd gevangen door een van de twee omcirkelende elektronen uit te werpen, waarbij het resulterende antiprotonische heliumatoom achterbleef in een atoomtoestand met een hoog niveau en een lange levensduur, die geschikt is voor laserexcitatie. Door twee tegengesteld gerichte laserbundels te gebruiken (om de door thermische beweging veroorzaakte Doppler-verruiming te verminderen), kon de groep de massaverhouding van het antiproton ten opzichte van het elektron bepalen met een precisie van 1,3 ppb (CERN Courier september 2011 p7). Een eerdere vergelijking van de lading-massaverhouding tussen het proton en het antiproton was uitgevoerd met een precisie van 0,09 ppb door de TRAP-samenwerking bij LEAR, zoals hierboven beschreven. Wanneer de resultaten van ASACUSA en TRAP worden gecombineerd, wordt vastgesteld dat de massa’s en ladingen van het proton en het antiproton gelijk zijn op een niveau van minder dan 0,7 ppb.

CPT vereist ook dat het magnetisch moment van een deeltje gelijk is aan (min) dat van zijn antideeltje. Het BASE-experiment dat nu in het AD wordt uitgevoerd, zal het magnetisch moment van het antiproton tot 1 ppb bepalen door de spin-afhankelijke axiale oscillatiefrequentie te meten in een Penning-val die aan een sterke gradiënt van het magnetisch veld wordt onderworpen. De experimentele aanpak is vergelijkbaar met de aanpak die is gebruikt om het magnetisch moment van het proton te meten met een precisie van 3 ppb (CERN Courier juli/augustus 2014 p8). De samenwerking heeft al de lading-massaverhoudingen van het antiproton en het proton vergeleken, met een fractionele precisie van 6,9 × 10-11 (p7).

Het zwakke equivalentieprincipe (WEP), dat stelt dat alle objecten in gravitatievelden op precies dezelfde manier worden versneld, is nog nooit getest met antimaterie. Pogingen met positronen of antiprotonen zijn tot dusver mislukt ten gevolge van zwervende elektrische of magnetische velden. Het elektrisch neutrale antihydrogeenatoom is daarentegen een ideale probe om de WEP te testen. De AEgIS-samenwerking in het AD is van plan de doorbuiging van een antihydrogeenstraal over een afstand van typisch 1 m te meten met een deflectometer met twee raten. De verplaatsing van het door de zwaartekracht geïnduceerde moirépatroon zal met hoge resolutie (ongeveer 1 μm) worden gemeten met behulp van nucleaire emulsies (figuur 6) – dezelfde detectietechniek die in 1956 werd gebruikt om de annihilatie van het antiproton in het Bevatron aan te tonen.

De toekomst is ELENA

Toekomstige experimenten met antimaterie in CERN zullen profiteren van het Extra Low ENergy Antiproton (ELENA)-project, dat eind 2017 operationeel zal worden. De vangstefficiëntie van antiprotonen in experimenten aan de AD is momenteel zeer laag (minder dan 0,1%), omdat de meeste verloren gaan bij het degraderen van de 5 MeV-bundel van de AD tot de paar kilo-elektronvolt die vereist is voor de opsluitspanning van elektromagnetische vallen. Om dit te ondervangen zal ELENA – een 30 m omtrek elektronengekoelde opslagring die zich in de AD-hal zal bevinden – antiprotonen afremmen tot, typisch, 100 keV. Snelle extractie (in tegenstelling tot de langzame extractie die bij LEAR beschikbaar was) is gepland om de val-experimenten te voeden.

Een experiment dat van deze nieuwe faciliteit zal profiteren is GBAR, dat ook tot doel heeft de gravitatieversnelling van antihydrogen te meten. Positronen zullen worden geproduceerd door een 4,3 MeV elektronen-linac en worden gebruikt om positieve antihydrogeen-ionen te creëren (d.w.z. een antiproton met twee positronen) die kunnen worden overgebracht naar een elektromagnetische val en worden gekoeld tot 10 mK. Na overbrenging naar een andere val, waar een van de positronen wordt losgemaakt, zal het antihydrogeen verticaal worden gelanceerd met een gemiddelde snelheid van ongeveer 1 m/s (CERN Courier maart 2014 p31).

Het is de moeite waard eraan te herinneren dat de ontdekking van het antiproton in Berkeley was gebaseerd op zo’n 60 antiprotonen die tijdens een zeven uur durende run werden waargenomen. De bundel van 1,2 GeV/c bevatte 5 × 104 meer pionen dan antiprotonen. Tegenwoordig levert het AD elke 100 s zuivere bundels van ongeveer 3 × 107 antiprotonen bij 100 MeV/c, wat het CERN-laboratorium uniek maakt in de wereld voor antimateriestudies. In de loop van de decennia hebben antiprotonbundels geleid tot de ontdekking van nieuwe mesonen en precieze tests van symmetrieën tussen materie en antimaterie mogelijk gemaakt. Nu worden de eigenschappen van waterstof en antihydrogeen vergeleken, en nauwkeurige tests zullen worden uitgevoerd met ELENA. De kans op een schending van de exacte symmetrie is klein, aangezien de CPT-theorie een fundamentele wet van de fysica is. De ervaring leert echter dat – zoals bij de verrassende ontdekking van de niet-behoud van pariteit in 1957 en de CP-schending in 1964 – experimenten uiteindelijk het laatste woord zullen hebben.