La 21 septembrie 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand și Tom Ypsilantis au găsit prima dovadă a antiprotonului, adunată prin măsurători ale impulsului și vitezei sale. Lucrând la ceea ce era cunoscut sub numele de „Laboratorul Rad” de la Berkeley, aceștia își instalaseră experimentul la un nou accelerator, Bevatron – un sincrotron de protoni conceput pentru a atinge o energie de 6,5 GeV, suficientă pentru a produce un antiproton într-un experiment cu țintă fixă (CERN Courier, noiembrie 2005, p. 27). La scurt timp după aceea, un experiment conex condus de Gerson Goldhaber și Edoardo Amaldi a descoperit „stelele” de anihilare așteptate, înregistrate în stive de emulsii nucleare (figura 1). Patruzeci de ani mai târziu, prin combinarea antiprotonilor și a pozitronilor, un experiment la Inelul Antiprotonic de Joasă Energie (LEAR) de la CERN a adunat în septembrie 1995 dovezi pentru producerea primilor câțiva atomi de antihidrogen.

De-a lungul deceniilor, antiprotonii au devenit un instrument standard pentru studiile din fizica particulelor; cuvântul „antimaterie” a intrat în limbajul curent; iar antihidrogenul devine rapid un laborator pentru investigații în fizica fundamentală. La CERN, deceleratorul de antiprotoni (AD) este în prezent o instalație importantă pentru studii în fizica fundamentală la energii joase, care completează investigațiile de la frontiera de înaltă energie a LHC. Acest articol trece în revistă unele dintre cele mai importante momente ale studiilor despre antimaterie la CERN și aruncă o privire asupra a ceea ce ne așteaptă la AD.

Înapoi la Bevatron, a urmat descoperirea antineutronului prin anihilarea particulelor neutre în 1956, pregătind terenul pentru studiile despre antimateria reală. Inițial, toată lumea se aștepta la o simetrie perfectă între materie și antimaterie prin combinarea operațiilor de conjugare a sarcinilor (C), de paritate (P) și de inversare a timpului (T). Cu toate acestea, după observarea încălcării CP în 1964, nu era evident că forțele nucleare erau invariante CPT și că antinucleonii ar trebui să se lege pentru a construi antinuclei. Aceste îndoieli au fost înlăturate odată cu descoperirea antideuteronului la CERN de către o echipă condusă de Antonino Zichichi, iar la Brookhaven de către o echipă de la Universitatea Columbia, inclusiv Leon Lederman și Sam Ting (CERN Courier mai 2009 p15și octombrie 2009 p22). Un deceniu mai târziu, au apărut dovezi pentru antiheliu-3 și antitritiu în cadrul experimentului WA33 de la Super Proton Synchrotron de la CERN, în urma observării câtorva candidați la sincrotonul de protoni de 70 GeV de la Institutul pentru Fizica Energiilor Înalte de lângă Serpukhov. Mai recent, disponibilitatea fasciculelor de ioni grei care se ciocnesc a dus la observarea antiheliului-4 de către experimentul STAR de la Colliderul relativist de ioni grei de la Brookhaven (CERN Courier, iunie 2011, p. 8). La CERN, experimentul ALICE de la LHC observă producerea de nuclee ușoare și antinuclei cu mase comparabile și, prin urmare, cu energii de legătură compatibile (figura 2).

Ieșesc barionii, intră noi mezoni

În 1949, înainte de descoperirea antiprotonului, Enrico Fermi și Chen-Ning Yang au prezis existența stărilor legate nucleon-antinucleon (barioniu), când au observat că anumite forțe de respingere între doi nucleoni ar putea deveni atractive în sistemul nucleon-antinucleon. Ulterior, modelele quark bazate pe dualitate au prezis existența unor stări formate din doi quarci și doi antiquarci, care ar trebui să fie observate atunci când un proton se anihilează cu un antiproton. În anii 1970, modelele de potențial nuclear au continuat să prezică o multitudine de stări legate și excitații de rezonanță în jurul masei de doi nucleoni. Au existat într-adevăr rapoarte despre astfel de stări, printre care stări înguste observate în anihilarea antiproton-proton (pp) la sincrotronul de protoni (PS) de la CERN și în măsurătorile secțiunii eficace pp în funcție de energie (mezonul S cu o masă de 1940 MeV).

Barionul a fost principala motivație pentru construcția la CERN a LEAR, care a funcționat timp de peste un deceniu, din 1982 până în 1996 (a se vedea caseta). Cu toate acestea, niciuna dintre stările barionului nu a fost confirmată la LEAR. Mezonul S nu a fost observat cu o sensibilitate de 10 ori mai mică decât semnalul raportat anterior în secțiunea transversală totală pp. Tranzițiile monoenergetice către stări legate nu au fost, de asemenea, observate. Moartea barionului a fost un subiect-cheie pentru Conferința Antiproton 86 de la Salonic. Ce s-a întâmplat? Calitatea ridicată a fasciculelor de antiprotoni de la LEAR a însemnat că toți pionii s-au dezintegrat. Intensitatea mare a antiprotonilor (106/s în comparație cu aproximativ 102/s în fasciculele extrase la PS) și rezoluția mare a momentului de 10-3-10-4 a fost crucială la energii joase pentru ca antiprotonii să se oprească cu o distanță de tragere foarte mică.

Spectroscopia mezonilor produși în anihilarea pp în repaus în mai multe experimente la LEAR s-a dovedit a fi mult mai fructuoasă. Aceasta a continuat o tradiție care începuse în anii 1960 cu anihilarea antiprotonilor în Camera cu bule de hidrogen de 81 cm de la PS, ceea ce a dus la descoperirea mezonului E (E pentru Europa, în prezent η(1440)) și a mezonului D (în prezent f1(1285)) în pp → (E, D → KKπ)ππ. Prima a dus la controversa de lungă durată privind existența în această regiune de masă a unui candidat glueball – o stare formată numai din gluoni – care a fost observată în dezintegrarea radiativă J/ψ la acceleratorul e+e- al SLAC, SPEAR. Odată cu demararea LEAR, experimentele ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel și JETSET au preluat ștafeta spectroscopiei mezonilor în anihilarea pp. ASTERIX a descoperit un mezon tensorial – AX, în prezent f2(1565) – care a fost raportat și de OBELIX; structura sa este încă neclară, deși ar putea fi starea de baroniu tensorial prezisă.

Crystal Barrel s-a specializat în detectarea evenimentelor multinautrale. Antiprotonii au fost opriți într-o țintă de hidrogen lichid, iar mezonii π0 au fost detectați prin dezintegrarea lor γγ într-un ansamblu în formă de butoi format din 1380 de cristale de CsI (Tl). Figura 3 prezintă detectorul împreună cu un grafic Dalitz al anihilării pp în π0π0π0, măsurată de experiment. Distribuția neuniformă a evenimentelor indică prezența rezonanțelor intermediare care se dezintegrează în π0π0, cum ar fi mezonii de spin 0 f0(980) și f0(1500), precum și mezonii de spin 2 f2(1270) și f2(1565). F0(1500) este un bun candidat pentru un glueball.

Simetrii fundamentale

Teorema CPT postulează că legile fizice rămân aceleași atunci când se efectuează operația combinată a CPT. Invarianța CPT rezultă din asumarea în teoriile cuantice ale câmpului a anumitor cerințe, cum ar fi invarianța Lorentz și particule elementare punctiforme. Cu toate acestea, încălcarea CPT este posibilă la scări de lungime foarte mici și ar putea duce la mici diferențe între proprietățile particulelor și antiparticulelor, cum ar fi durata de viață, masa inerțială și momentul magnetic.

La LEAR, colaborarea TRAP (PS196) a realizat o serie de experimente de pionierat pentru a compara cu exactitate rapoartele sarcină/masă ale protonului și antiprotonului, folosind antiprotoni depozitați într-o capcană electromagnetică rece (Penning). Semnalul de la un singur antiproton stocat a putut fi observat, iar antiprotonii au fost stocați în capcană timp de până la două luni. Măsurând frecvența ciclotronică a antiprotonilor care orbitează cu un oscilator și comparând-o cu frecvența ciclotronică a ionilor H- în aceeași capcană, echipa a obținut în cele din urmă un rezultat la nivelul de 9 × 10-11. Experimentul a folosit ioni H- în loc de protoni pentru a evita denaturările la inversarea semnelor câmpurilor electrice și magnetice.

În ipoteza invarianței CPT, încălcarea simetriei CP observată pentru prima dată în sistemul neutru de kaoni în 1964 implică faptul că invarianța T este, de asemenea, încălcată. Cu toate acestea, în 1998, experimentul CPLEAR a demonstrat încălcarea lui T în sistemul neutru de kaoni fără a presupune conservarea CPT (CERN Courier martie 1999 p21). K0 și K0 se transformă unul în altul în funcție de timp, iar încălcarea T implică faptul că, la un anumit timp t, probabilitatea de a găsi un K0 atunci când inițial a fost produs un K0 nu este egală cu probabilitatea de a găsi un K0 atunci când a fost produs un K0. CPLEAR a stabilit identitatea kaonului inițial prin măsurarea semnului kaonului încărcat asociat în anihilarea pp → K+K0π- sau K-K0π+; cel al kaonului la momentul t a fost dedus prin detectarea dezintegrărilor K0 → π+e- ν și K0 → π-e+ν. Figura 4 arată că a fost într-adevăr observată o mică asimetrie, în concordanță cu așteptările provenite din încălcarea CP, presupunând invarianța CPT.

Teorema CPT prezice, de asemenea, că materia și antimateria ar trebui să aibă spectre de excitație atomică identice. Antihidrogenul – cea mai simplă formă de antimaterie neutră constând dintr-un pozitron care orbitează în jurul unui antiproton – a fost observat pentru prima dată în cadrul experimentului PS210 de la LEAR. Fasciculul intern de antiprotoni circulant de 1,9 GeV/c a traversat o țintă cu jet de xenon-cluster, permițând posibilitatea producerii unei perechi e+e- la trecerea unui antiproton prin câmpul Coulomb al unui nucleu de xenon. Perechea e+ ar putea fi apoi capturată de antiproton pentru a forma antihidrogen neutru din punct de vedere electric cu un impuls de 1,9 GeV/c, care ar putea fi detectat mai departe în aval prin anihilarea sa în pioni și fotoni. Acest proces de producție este destul de rar, dar, cu toate acestea, colaborarea PS210 a raportat dovezi ale existenței a nouă atomi de antihidrogen, după aproximativ două luni de colectare de date în august-septembrie 1995 și cu doar câteva luni înainte ca LEAR să fie oprit. Observarea antihidrogenului a fost confirmată doi ani mai târziu la Acumulatorul de antiprotoni de la Fermilab, deși cu o secțiune transversală de producție mult mai mică.

La AD

Un nou capitol în povestea antihidrogenului la CERN s-a deschis în 2000, odată cu punerea în funcțiune a AD, care decelera antiprotonii până la 100 MeV/c, înainte de a-i extrage pentru experimente privind antimateria și fizica atomică (CERN Courier noiembrie 1999 p17). Experimentul PS210 a încercat să producă antihidrogen în zbor, dar pentru a studia, de exemplu, spectroscopia antihidrogenului, este mult mai convenabil să se stocheze atomii de antihidrogen în capcane electromagnetice, așa cum a făcut TRAP în experimentele sale cu antiprotoni. Acest lucru necesită ca antihidrogenul să fie produs la energii foarte mici, ceea ce AD ajută să se realizeze.

În 2002, experimentele ATHENA și ATRAP de la AD au demonstrat producerea unui număr mare de atomi lenți de antihidrogen (CERN Courier noiembrie 2002 p5și decembrie 2002 p5). ATHENA a folosit folii absorbante pentru a reduce energia antiprotonilor de la AD la câțiva kilo-electron-volți. O mică fracțiune din fasciculul de antiprotoni a fost apoi captată într-o capcană Penning, în timp ce pozitronii de la o sursă radioactivă de sodiu au fost stocați într-o a doua capcană. Norii de antiprotoni și de pozitroni au fost apoi transferați într-o a treia capcană și au fost făcuți să se suprapună pentru a produce antihidrogen neutru din punct de vedere electric, care a migrat spre pereții criostatului și s-a anihilat. Detectorul de antihidrogen conținea două straturi de microstripuri de siliciu pentru a urmări ionii încărcați proveniți din anihilarea antiprotonului; o matrice de 192 de cristale de CsI a detectat și măsurat energiile fotonilor proveniți din anihilarea pozitronilor (figura 5). Aproximativ un milion de atomi de antihidrogen au fost produși pe parcursul experimentului, ceea ce corespunde unei rate medii de 10 antiatomi pe secundă.

Antihidrogenul are un moment de dipol magnetic (cel al pozitronului), ceea ce înseamnă că poate fi capturat într-un câmp magnetic neomogen. Prima încercare în acest sens a fost realizată la AD de către experimentul ALPHA, care a capturat cu succes 38 de atomi de antihidrogen într-un câmp magnetic octupolar (CERN Courier martie 2011 p13). Timpul inițial de stocare a antihidrogenului, de 172 ms, a fost mărit ulterior la aproximativ 15 minute, deschizând astfel calea către experimente de spectroscopie atomică. Un test sensibil al CPT este de a induce tranziții de la stări de spin singlet la triplet (scindare hiperfină, sau HfS) în atomul de antihidrogen și de a compara energia de tranziție cu cea a hidrogenului, care este cunoscută cu o precizie foarte mare. ALPHA a făcut primele încercări reușite de măsurare a HfS cu ajutorul radiației cu microunde, reușind să întoarcă spinul pozitronului și să ejecteze 23 de atomi de antihidrogen din capcană (CERN Courier aprilie 2012 p7).

O abordare alternativă este de a realiza un experiment de tip Stern-Gerlach cu un fascicul de antihidrogen. Experimentul ASACUSA a utilizat o bobină anti-Helmholtz (capcană cuspide) pentru a exercita forțe asupra atomilor de antihidrogen și pentru a-i selecta pe cei aflați într-o anumită stare de spin al pozitronilor. Polarizarea poate fi apoi inversată cu ajutorul microundei de frecvență corespunzătoare. Într-un prim test reușit, au fost detectați 80 de atomi de antihidrogen în aval de regiunea de producție (CERN Courier martie 2014 p5).

Colaborarea ASACUSA a testat, de asemenea, CPT, folosind antiprotoni opriți în heliu. Antiprotonul a fost capturat prin ejectarea unuia dintre cei doi electroni care orbitează, atomul de heliu antiprotonic rezultat fiind lăsat într-o stare atomică de nivel înalt, cu durată de viață lungă, care se pretează la excitarea cu laser. Prin utilizarea a două fascicule laser cu propagare inversă (pentru a reduce lărgirea Doppler cauzată de mișcarea termică), grupul a reușit să determine raportul de masă antiproton-electron cu o precizie de 1,3 ppb (CERN Courier septembrie 2011 p7). O comparație anterioară a raportului sarcină-masă dintre proton și antiproton fusese realizată cu o precizie de 0,09 ppb de către colaborarea TRAP de la LEAR, după cum s-a descris mai sus. Atunci când rezultatele obținute de ASACUSA și TRAP sunt combinate, se stabilește că masele și sarcinile protonului și antiprotonului sunt egale la un nivel mai mic de 0,7 ppb.

CPT cere, de asemenea, ca momentul magnetic al unei particule să fie egal cu (minus) cel al antiparticulei sale. Experimentul BASE, aflat acum în desfășurare la AD, va determina momentul magnetic al antiprotonului la 1 ppb prin măsurarea frecvenței de oscilație axială dependentă de spin într-o capcană Penning supusă unui gradient puternic de câmp magnetic. Abordarea experimentală este similară cu cea utilizată pentru măsurarea momentului magnetic al protonului cu o precizie de 3 ppb (CERN Courier iulie/august 2014 p8). Colaborarea a comparat deja rapoartele sarcină-masă ale antiprotonului și ale protonului, cu o precizie fracționară de 6,9 × 10-11 (p7).

Principiul echivalenței slabe (WEP), care afirmă că toate obiectele sunt accelerate exact în același mod în câmpuri gravitaționale, nu a fost niciodată testat cu antimaterie. Încercările de a utiliza pozitroni sau antiprotoni au eșuat până acum, ca urmare a câmpurilor electrice sau magnetice dispersate. În schimb, atomul de antihidrogen neutru din punct de vedere electric este o sondă ideală pentru a testa WEP. Colaborarea AEgIS de la AD plănuiește să măsoare curbarea unui fascicul de antihidrogen pe o distanță de obicei de 1 m cu ajutorul unui deflectometru cu două grătare. Deplasarea modelului moiré indus de gravitație va fi măsurată cu o rezoluție ridicată (aproximativ 1 μm) prin utilizarea emulsiilor nucleare (figura 6) – aceeași tehnică de detecție care a fost utilizată pentru a demonstra anihilarea antiprotonului la Bevatron, în 1956.

Viitorul este ELENA

Viitoarele experimente cu antimaterie de la CERN vor beneficia de proiectul Extra Low ENergy Antiproton (ELENA), care va deveni operațional la sfârșitul anului 2017. Eficiența de captare a antiprotonilor în experimentele de la AD este în prezent foarte scăzută (mai puțin de 0,1%), deoarece cei mai mulți dintre ei se pierd la degradarea fasciculului de 5 MeV de la AD la cei câțiva kilo-electroni-volți necesari pentru tensiunea de confinare a capcanelor electromagnetice. Pentru a depăși această problemă, ELENA – un inel de depozitare răcit cu electroni cu o circumferință de 30 m care va fi amplasat în sala AD – va decelera antiprotonii până la, de obicei, 100 keV. Extracția rapidă (spre deosebire de extracția lentă care era disponibilă la LEAR) este prevăzută pentru a alimenta experimentele cu capcane.

Un experiment care va beneficia de această nouă instalație este GBAR, care își propune, de asemenea, să măsoare accelerația gravitațională a antihidrogenului. Positronii vor fi produși de un linac de electroni de 4,3 MeV și vor fi utilizați pentru a crea ioni pozitivi de antihidrogen (adică un antiproton cu doi pozitroni) care pot fi transferați într-o capcană electromagnetică și răciți la 10 mK. După transferul într-o altă capcană, unde unul dintre pozitroni este detașat, antihidrogenul va fi lansat pe verticală cu o viteză medie de aproximativ 1 m/s (CERN Courier martie 2014 p31).

Merită să ne amintim că descoperirea antiprotonului la Berkeley s-a bazat pe aproximativ 60 de antiprotoni observați în timpul unei curse de șapte ore. Fasciculul de 1,2 GeV/c conținea cu 5 × 104 mai mulți pioni decât antiprotoni. În prezent, AD livrează fascicule pure de aproximativ 3 × 107 antiprotoni la fiecare 100 s la 100 MeV/c, ceea ce face ca laboratorul CERN să fie unic în lume în ceea ce privește studiul antimateriei. De-a lungul deceniilor, fasciculele de antiprotoni au dus la descoperirea de noi mezoni și au permis testarea precisă a simetriilor dintre materie și antimaterie. Acum, se compară proprietățile hidrogenului și ale antihidrogenului, iar testele precise vor fi efectuate cu ajutorul ELENA. Șansele de a observa vreo încălcare a simetriei exacte sunt mici, teorema CPT fiind o lege fundamentală a fizicii. Cu toate acestea, experiența arată că – ca și în cazul descoperirii surprinzătoare a neconservării parității în 1957 și a încălcării CP în 1964 – experimentele vor avea, în cele din urmă, ultimul cuvânt.

.