W dniu 21 września 1955 r. Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand i Tom Ypsilantis znaleźli pierwsze dowody na istnienie antyprotonu, zebrane dzięki pomiarom jego pędu i prędkości. Pracując w tak zwanym „Rad Lab” w Berkeley, przeprowadzili swój eksperyment w nowym akceleratorze Bevatron – synchrotronie protonów zaprojektowanym tak, by osiągnąć energię 6,5 GeV, wystarczającą do wyprodukowania antyprotonu w eksperymencie ze stałym celem (CERN Courier November 2005 p27). Wkrótce potem, w powiązanym eksperymencie prowadzonym przez Gersona Goldhabera i Edoardo Amaldiego, znaleziono oczekiwane „gwiazdy” anihilacji, zarejestrowane w stosach emulsji jądrowych (rysunek 1). Czterdzieści lat później, dzięki połączeniu antyprotonów i pozytonów, we wrześniu 1995 roku w eksperymencie Low Energy Antiproton Ring (LEAR) w CERN uzyskano dowody na produkcję kilku pierwszych atomów anty-wodoru.

W ciągu dziesięcioleci antyprotony stały się standardowym narzędziem badań w fizyce cząstek elementarnych; słowo „antymateria” weszło do języka potocznego; a anty-wodór szybko staje się laboratorium do badań w fizyce fundamentalnej. W CERN-ie dekelerator antyprotonów (AD) jest obecnie ważnym urządzeniem do badań fizyki fundamentalnej przy niskich energiach, które uzupełniają badania prowadzone na granicy wysokich energii w LHC. Niniejszy artykuł przedstawia niektóre z najważniejszych momentów badań nad antyświatem w CERN-ie i daje wgląd w to, co czeka nas w AD.

Przy Bevatronie, w 1956 r. odkryto antyneutron w wyniku anihilacji cząstek neutralnych, co zapoczątkowało badania nad prawdziwą antymaterią. Początkowo wszyscy oczekiwali idealnej symetrii pomiędzy materią i antymaterią dzięki połączeniu operacji koniugacji ładunków (C), parzystości (P) i odwrócenia czasu (T). Jednak po zaobserwowaniu naruszenia CP w 1964 roku, nie było oczywiste, że siły jądrowe są niezmiennicze CPT i że antyjądra powinny wiązać się w celu zbudowania antyjąder. Wątpliwości te rozwiało odkrycie antyneuteronu w CERN przez zespół kierowany przez Antonino Zichichiego oraz w Brookhaven przez zespół z Uniwersytetu Columbia, w skład którego wchodzili Leon Lederman i Sam Ting (CERN Courier maj 2009 str. 15 i październik 2009 str. 22). Dekadę później pojawiły się dowody na istnienie antyhelu-3 i antytrytu w eksperymencie WA33 w Super Synchrotronie Protonowym CERN-u, po tym jak zaobserwowano kilka kandydatów na synchroton protonowy o energii 70 GeV w Instytucie Fizyki Wysokich Energii koło Serpuchowa. Ostatnio dostępność zderzających się wiązek ciężkich jonów doprowadziła do zaobserwowania antyhelu-4 w eksperymencie STAR przy Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów w Brookhaven (CERN Courier, czerwiec 2011, s. 8). W CERN eksperyment ALICE w LHC obserwuje produkcję lekkich jąder i antyjąder o porównywalnych masach, a więc zgodnych energiach wiązania (rys. 2).

Wyjście barionu, wejście nowych mezonów

Jeszcze w 1949 roku, przed odkryciem antyprotonu, Enrico Fermi i Chen-Ning Yang przewidzieli istnienie związanych stanów nukleon-antynukleon (barion), gdy zauważyli, że pewne odpychające siły pomiędzy dwoma nukleonami mogą stać się przyciągające w układzie nukleon-antynukleon. Później, modele kwarków oparte na dualności przewidywały istnienie stanów złożonych z dwóch kwarków i dwóch antykwarków, które powinny być obserwowane, gdy proton anihiluje z antyprotonem. W latach 70-tych modele potencjałów jądrowych przewidywały istnienie wielu stanów związanych i wzbudzeń rezonansowych wokół masy dwóch jąder. Rzeczywiście pojawiły się doniesienia o takich stanach, m.in. o wąskich stanach obserwowanych w anihilacji antyproton-proton (pp) w Synchrotronie Protonowym (PS) w CERN oraz w pomiarach przekroju pp w funkcji energii (mezon S o masie 1940 MeV).

Baryonium było główną motywacją budowy LEAR w CERN, która trwała ponad dekadę od 1982 do 1996 roku (patrz ramka). Jednak żaden z barionowych stanów nie został potwierdzony w LEAR. Mezon S nie został zaobserwowany z czułością 10 razy mniejszą niż sygnał podany wcześniej w całkowitym przekroju pp. Nie zaobserwowano również monoenergetycznych przejść do stanów związanych. Śmierć barionu była kluczowym tematem konferencji Antiproton 86 w Salonikach. Co się stało? Wysoka jakość wiązek antyprotonowych z LEAR oznaczała, że wszystkie piony uległy rozpadowi. Wysokie natężenie antyprotonów (106/s w porównaniu z około 102/s w wiązkach wyekstrahowanych w PS) i wysoka rozdzielczość pędowa 10-3-10-4 były kluczowe przy niskich energiach dla antyprotonów zatrzymujących się z bardzo małym zasięgiem-wstrząsem.

Znacznie bardziej owocna okazała się spektroskopia mezonów produkowanych w anihilacji pp w spoczynku w kilku eksperymentach w LEAR. Kontynuowały one tradycję zapoczątkowaną w latach 60-tych przez anihilację antyprotonów w 81 cm Hydrogen Bubble Chamber w PS, co doprowadziło do odkrycia mezonu E (E dla Europy, obecnie η(1440)) i mezonu D (obecnie f1(1285)) w pp → (E, D → KKπ)ππ. To pierwsze doprowadziło do długotrwałej kontrowersji na temat istnienia w tym rejonie mas kandydata na glueball – stan zbudowany tylko z gluonów – który został zaobserwowany w radiacyjnym rozpadzie J/ψ w należącym do SLAC zderzaczu e+e-, SPEAR. Wraz z uruchomieniem programu LEAR, pałeczkę spektroskopii mezonów w anihilacji pp przejęły eksperymenty ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel i JETSET. ASTERIX odkrył mezon tensorowy – AX, obecnie f2(1565) – o którym doniósł również OBELIX; jego struktura jest wciąż niejasna, choć może to być przewidywany tensorowy stan barionowy.

Crystal Barrel wyspecjalizował się w detekcji zdarzeń wielonominutalnych. Antyprotony były zatrzymywane w tarczy ciekłego wodoru, a mezony π0 były wykrywane poprzez ich rozpady γγ w beczce złożonej z 1380 kryształów CsI (Tl). Rysunek 3 przedstawia detektor wraz z wykresem Dalitza anihilacji pp na π0π0π0, zmierzonych przez eksperyment. Niejednorodny rozkład zdarzeń wskazuje na obecność rezonansów pośrednich, które rozpadają się na π0π0, takich jak mezony spin-0 f0(980) i f0(1500) oraz mezony spin-2 f2(1270) i f2(1565). F0(1500) jest dobrym kandydatem na kulę kleju.

Fundamentalne symetrie

Twierdzenie CPT postuluje, że prawa fizyczne pozostają takie same, gdy wykonywane są połączone operacje CPT. Niezmienniczość CPT wynika z założenia w kwantowych teoriach pola pewnych wymogów, takich jak niezmienniczość Lorentza i punktowe cząstki elementarne. Naruszenie CPT jest jednak możliwe w bardzo małych skalach długości i może prowadzić do niewielkich różnic między własnościami cząstek i antycząstek, takich jak czas życia, masa inercyjna i moment magnetyczny.

W LEAR, kolaboracja TRAP (PS196) przeprowadziła serię pionierskich eksperymentów w celu precyzyjnego porównania stosunku ładunku do masy protonu i antyprotonu, używając antyprotonów przechowywanych w zimnej pułapce elektromagnetycznej (Penninga). Można było zaobserwować sygnał z pojedynczego przechowywanego antyprotonu, a antyprotony były przechowywane w pułapce przez okres do dwóch miesięcy. Mierząc częstotliwość cyklotronową orbitujących antyprotonów za pomocą oscylatora i porównując ją z częstotliwością cyklotronową jonów H- w tej samej pułapce, zespół uzyskał w końcu wynik na poziomie 9 × 10-11. W eksperymencie użyto jonów H- zamiast protonów, aby uniknąć błędów przy odwracaniu znaków pól elektrycznych i magnetycznych.

Przy założeniu niezmienniczości CPT, naruszenie symetrii CP zaobserwowane po raz pierwszy w 1964 r. w układzie neutralnego kaonu implikuje, że naruszona jest również niezmienniczość T. Jednak w 1998 r. eksperyment CPLEAR wykazał naruszenie T w układzie kaonów neutralnych bez zakładania zachowania CPT (CERN Courier marzec 1999 r. str. 21). K0 i K0 morfują na siebie w funkcji czasu, a naruszenie T implikuje, że w danym czasie t prawdopodobieństwo znalezienia K0, gdy początkowo powstał K0, nie jest równe prawdopodobieństwu znalezienia K0, gdy powstał K0. CPLEAR ustalił tożsamość początkowego kaonu mierząc znak związanego z nim naładowanego kaonu w anihilacji pp → K+K0π- lub K-K0π+; o tożsamości kaonu w czasie t wnioskowano wykrywając rozpady K0 → π+e- ν i K0 → π-e+ν. Rysunek 4 pokazuje, że rzeczywiście zaobserwowano niewielką asymetrię, zgodną z oczekiwaniami wynikającymi z naruszenia CP, przy założeniu niezmienniczości CPT.

Twierdzenie CPT przewiduje również, że materia i antymateria powinny mieć identyczne widma wzbudzeń atomowych. Antywodór – najprostsza forma neutralnej antymaterii składająca się z pozytonu krążącego wokół antyprotonu – został po raz pierwszy zaobserwowany w eksperymencie PS210 w LEAR. Krążąca wiązka wewnętrznych antyprotonów o energii 1,9 GeV/c przemierzała strumień ksenonu, umożliwiając wytworzenie pary e+e-, gdy antyproton przechodził przez pole Coulomba jądra ksenonu. Para e+ mogłaby zostać przechwycona przez antyproton, tworząc elektrycznie neutralny anty-wodór o pędzie 1,9 GeV/c, który mógłby zostać wykryty dalej poprzez anihilację na piony i fotony. Ten proces produkcji jest raczej rzadki, ale mimo to kolaboracja PS210 dostarczyła dowodów na istnienie dziewięciu atomów anty-wodoru, po około dwóch miesiącach zbierania danych w sierpniu-wrześniu 1995 roku, i zaledwie kilka miesięcy przed wyłączeniem LEAR. Obserwacja anty-wodoru została potwierdzona dwa lata później w Fermilab’s Antiproton Accumulator, aczkolwiek przy znacznie mniejszym przekroju produkcyjnym.

W AD

Nowy rozdział w historii anty-wodoru w CERN otworzył się w 2000 roku wraz z uruchomieniem AD, który spowalnia antyprotony do 100 MeV/c, przed wydobyciem ich do eksperymentów nad antymaterią i fizyką atomową (CERN Courier November 1999 p17). W eksperymencie PS210 próbowano wytworzyć anty-wodór w locie, ale do badania np. spektroskopii anty-wodoru o wiele wygodniej jest przechowywać atomy anty-wodoru w pułapkach elektromagnetycznych, tak jak to robił TRAP w swoich eksperymentach z antyprotonami. Wymaga to wytwarzania anty-wodoru przy bardzo niskich energiach, co AD pomaga osiągnąć.

W 2002 roku eksperymenty ATHENA i ATRAP w AD zademonstrowały produkcję dużej liczby powolnych atomów anty-wodoru (CERN Courier November 2002 p5and December 2002 p5). W eksperymencie ATHENA zastosowano folie absorbujące, aby zmniejszyć energię antyprotonów z AD do kilku kiloelektronowoltów. Niewielka część wiązki antyprotonów była następnie wychwytywana w pułapce Penninga, podczas gdy pozytony z radioaktywnego źródła sodowego były przechowywane w drugiej pułapce. Chmury antyprotonów i pozytonów były następnie przenoszone do trzeciej pułapki i nakładane na siebie w celu wytworzenia elektrycznie obojętnego anty-wodoru, który migrował do ścian kriostatu i anihilował. Detektor anty-wodoru zawierał dwie warstwy krzemowych mikropasków do śledzenia naładowanych pionów z anihilacji antyprotonów; matryca 192 kryształów CsI wykrywała i mierzyła energie fotonów z anihilacji pozytonów (rysunek 5). W trakcie eksperymentu wyprodukowano około miliona atomów anty-wodoru, co odpowiada średniej szybkości 10 antyatomów na sekundę.

Antywodór ma magnetyczny moment dipolowy (taki jak pozyton), co oznacza, że może być wychwycony w niejednorodnym polu magnetycznym. Pierwsza taka próba została przeprowadzona w AD przez eksperyment ALPHA, który z powodzeniem przechwycił 38 atomów anty-wodoru w oktupolarnym polu magnetycznym (CERN Courier marzec 2011 str. 13). Początkowy czas przechowywania anty-wodoru wynoszący 172 ms został później wydłużony do około 15 minut, co utorowało drogę do eksperymentów spektroskopii atomowej. Czułym testem CPT jest wywołanie przejść ze stanów spinowych singletowych do trypletowych (rozszczepienie hiperfinowe, HfS) w atomie anty-wodoru i porównanie energii przejścia z energią dla wodoru, która jest znana z bardzo dużą dokładnością. ALPHA podjęła pierwsze udane próby pomiaru HfS za pomocą promieniowania mikrofalowego, udało się odwrócić spin pozytonu i wyrzucić 23 atomy anty-wodoru z pułapki (CERN Courier April 2012 p7).

Alternatywnym podejściem jest przeprowadzenie eksperymentu typu Stern-Gerlach z wiązką anty-wodoru. W eksperymencie ASACUSA wykorzystano cewkę anty-Helmholtza (pułapkę cusp) do wywierania sił na atomy anty-wodoru i wybierania tych, które znajdują się w danym stanie spinu pozytonów. Ich polaryzacja może być następnie odwrócona za pomocą mikrofal o odpowiedniej częstotliwości. W pierwszym udanym teście wykryto 80 atomów anty-wodoru za regionem produkcji (CERN Courier marzec 2014 p5).

Współpraca ASACUSA również przetestowała CPT, używając antyprotonów zatrzymanych w helu. Antyproton był przechwytywany poprzez wyrzucenie jednego z dwóch orbitujących elektronów, a powstały antyprotonowy atom helu pozostawał w wysokopoziomowym, długożyciowym stanie atomowym, który jest podatny na wzbudzenie laserowe. Używając dwóch przeciwbieżnie rozchodzących się wiązek laserowych (aby zredukować poszerzenie dopplerowskie spowodowane ruchem termicznym), grupa była w stanie określić stosunek mas antyprotonów do elektronów z dokładnością do 1,3 ppb (CERN Courier wrzesień 2011 str. 7). Wcześniejsze porównanie stosunku ładunku do masy pomiędzy protonem i antyprotonem zostało wykonane z dokładnością do 0,09 ppb przez zespół TRAP w LEAR, jak opisano powyżej. Po połączeniu wyników z ASACUSA i TRAP, masy i ładunki protonu i antyprotonu zostały określone jako równe na poziomie poniżej 0,7 ppb.

CPT wymaga również, aby moment magnetyczny cząstki był równy (minus) momentowi jej antycząstki. Obecnie prowadzony w AD eksperyment BASE wyznaczy moment magnetyczny antyprotonu na poziomie 1 ppb poprzez pomiar częstotliwości oscylacji osiowej zależnej od spinu w pułapce Penninga poddanej silnemu gradientowi pola magnetycznego. Podejście eksperymentalne jest podobne do tego, które zastosowano do pomiaru momentu magnetycznego protonu z dokładnością do 3 ppb (CERN Courier lipiec/sierpień 2014 str. 8). Kolaboracja porównała już stosunki ładunku do masy antyprotonu i protonu, z ułamkową precyzją 6,9 × 10-11 (p7).

Słaba zasada równoważności (WEP), która mówi, że wszystkie obiekty są przyspieszane w dokładnie taki sam sposób w polach grawitacyjnych, nigdy nie była testowana z antymaterią. Próby z wykorzystaniem pozytonów lub antyprotonów jak dotąd nie powiodły się, ze względu na zabłąkane pola elektryczne lub magnetyczne. W przeciwieństwie do tego, elektrycznie neutralny atom anty-wodoru jest idealną sondą do testowania WEP. Zespół AEgIS w AD planuje zmierzyć ugięcie wiązki anty-wodoru na odległość około 1 m za pomocą deflektometru o dwóch siatkach. Przemieszczenie wzoru mory wywołane grawitacją będzie mierzone z wysoką rozdzielczością (około 1 μm) przy użyciu emulsji jądrowych (rysunek 6) – tej samej techniki detekcji, która została użyta do zademonstrowania anihilacji antyprotonu w Bevatronie w 1956 r.

Przyszłość to ELENA

Przyszłe eksperymenty z antymaterią w CERN-ie będą korzystać z projektu Extra Low ENergy Antiproton (ELENA), który zacznie działać pod koniec 2017 r. Wydajność wychwytywania antyprotonów w eksperymentach w AD jest obecnie bardzo niska (mniej niż 0,1%), ponieważ większość z nich jest tracona podczas degradacji wiązki 5 MeV z AD do kilku kiloelektronowoltów wymaganych przez napięcie zamknięcia w pułapkach elektromagnetycznych. Aby przezwyciężyć ten problem, ELENA – chłodzony elektronami pierścień o obwodzie 30 m, który zostanie umieszczony w hali AD – będzie wyhamowywał antyprotony do, typowo, 100 keV. Przewiduje się szybką ekstrakcję (w przeciwieństwie do powolnej ekstrakcji, która była dostępna w LEAR) w celu zasilania eksperymentów z pułapkami.

Jednym z eksperymentów, który skorzysta z tej nowej instalacji, jest GBAR, którego celem jest również pomiar przyspieszenia grawitacyjnego anty-wodoru. Pozytony będą wytwarzane przez linak elektronowy o energii 4,3 MeV i używane do tworzenia dodatnich jonów anty-wodoru (tj. antyprotonów z dwoma pozytonami), które mogą być przeniesione do pułapki elektromagnetycznej i schłodzone do temperatury 10 mK. Po przeniesieniu do innej pułapki, gdzie jeden z pozytonów zostanie oderwany, antyodor zostanie wystrzelony pionowo ze średnią prędkością około 1 m/s (CERN Courier marzec 2014 str31).

Warto przypomnieć, że odkrycie antyprotonu w Berkeley opierało się na około 60 antyprotonach zaobserwowanych podczas siedmiogodzinnego przebiegu. Wiązka o energii 1,2 GeV/c zawierała 5 × 104 więcej pionów niż antyprotonów. Obecnie AD dostarcza czyste wiązki około 3 × 107 antyprotonów co 100 s przy energii 100 MeV/c, co czyni laboratorium CERN unikalnym na skalę światową w badaniach nad antymaterią. Przez dziesiątki lat wiązki antyprotonów doprowadziły do odkrycia nowych mezonów i umożliwiły precyzyjne badania symetrii między materią a antymaterią. Obecnie porównywane są właściwości wodoru i anty-wodoru, a dokładne testy będą przeprowadzane za pomocą ELENA. Szanse na zaobserwowanie naruszenia dokładnej symetrii są nikłe, ponieważ twierdzenie CPT jest podstawowym prawem fizyki. Jednak doświadczenie pokazuje, że – podobnie jak w przypadku zaskakującego odkrycia braku zachowania parzystości w 1957 r. i naruszenia CP w 1964 r. – eksperymenty będą miały ostatecznie ostatnie słowo.