Sjuttio år efter upptäckten av antiprotonen i Berkeley, ser vi tillbaka på några av de sätt på vilka studier med antiprotoner vid CERN har kastat ljus över den grundläggande fysiken och i synnerhet över grundläggande symmetrier.
Bildkredit: O Chamberlain et al. 1956 Nuo. Cim. 3 447.
Den 21 september 1955 fann Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand och Tom Ypsilantis sina första bevis på antiprotoner, insamlade genom mätningar av dess impuls och hastighet. De arbetade vid det som kallades ”Rad Lab” i Berkeley och hade satt upp sitt experiment vid en ny accelerator, Bevatron – en proton-synkrotron som är utformad för att nå en energi på 6,5 GeV, vilket är tillräckligt för att producera en antiproton i ett experiment med ett fast mål (CERN Courier, november 2005, s. 27). Kort därefter fann man i ett liknande experiment under ledning av Gerson Goldhaber och Edoardo Amaldi de förväntade annihilations-”stjärnorna”, som registrerades i staplar av kärnemulsioner (figur 1). Fyrtio år senare, genom att kombinera antiprotoner och positroner, samlade ett experiment vid Low Energy Antiproton Ring (LEAR) vid CERN i september 1995 bevis för produktion av de första få atomerna av antiväte.
Under årtiondena har antiprotoner blivit ett standardverktyg för studier inom partikelfysiken; ordet ”antimateria” har kommit in i det vanliga språket; och antiväte håller snabbt på att bli ett laboratorium för undersökningar inom grundläggande fysik. Vid CERN är antiprotondeceleratorn (AD) nu en viktig anläggning för studier av grundläggande fysik vid låga energier, som kompletterar undersökningarna vid LHC:s högenergigräns. I den här artikeln tittar vi tillbaka på några av höjdpunkterna i studierna av antivärlden vid CERN och ger en glimt av vad som väntar vid AD.
Tillbaka vid Bevatron följde 1956 upptäckten av antineutronen genom annihilation av neutrala partiklar, vilket lade grunden för studier av riktig antimateria. Till en början förväntade sig alla en perfekt symmetri mellan materia och antimateria genom kombinationen av operationerna laddningskonjugering (C), paritet (P) och tidsomvändning (T). Efter observationen av CP-överträdelsen 1964 var det dock inte självklart att kärnkrafterna var CPT-invarianta och att antinucleoner skulle binda sig för att bilda antinuclei. Dessa tvivel undanröjdes i och med upptäckten av antideuteronerna vid CERN av en grupp under ledning av Antonino Zichichi och vid Brookhaven av en grupp från Columbia University med Leon Lederman och Sam Ting (CERN Courier, maj 2009, s. 15 och oktober 2009, s. 22). Ett decennium senare framkom bevis för antihelium-3 och antitritium i WA33-experimentet vid Cerns superprotonsynkrotron, efter att några kandidater observerats vid 70 GeV-protonsynkrotonerna vid Institutet för högenergifysik nära Serpukhov. På senare tid har tillgången till kolliderande strålar av tunga joner lett till observationer av antihelium-4 genom STAR-experimentet vid Brookhavens relativa tungjonscollider (CERN Courier, juni 2011, s. 8). Vid CERN observerar ALICE-experimentet vid LHC produktionen av lätta kärnor och antinuklider med jämförbara massor och därmed kompatibla bindningsenergier (figur 2).
Exit baryonium, enter new mesons
Bildkredit: ALICE Collaboration.
Redan 1949, innan antiprotonen upptäcktes, förutspådde Enrico Fermi och Chen-Ning Yang existensen av bundna nukleon-antinukleontillstånd (baryonium), när de noterade att vissa repulsiva krafter mellan två nukleoner kunde bli attraktiva i nukleon-antinukleonsystemet. Senare förutspådde kvarkmodeller baserade på dualitet existensen av tillstånd bestående av två kvarkar och två antikvarkar, som skulle observeras när en proton annihileras med en antiproton. På 1970-talet fortsatte kärnpotentialmodellerna att förutsäga en uppsjö av bundna tillstånd och resonansexcitationer kring tvåkärnig massa. Det fanns faktiskt rapporter om sådana tillstånd, bland annat smala tillstånd som observerades i antiproton-proton (pp)-annihilation vid CERN:s proton-synkrotron (PS) och i mätningar av pp-tvärsnittet som en funktion av energin (S-mesonen med en massa på 1940 MeV).
Baryonium var den huvudsakliga motivationen för konstruktionen av LEAR vid CERN, som pågick i mer än ett decennium från 1982 till 1996 (se ruta). Inget av baryoniumtillstånden bekräftades dock vid LEAR. S-mesonen observerades inte med en känslighet som var tio gånger lägre än den signal som tidigare rapporterats i det totala tvärsnittet för pp. Monoenergetiska övergångar till bundna tillstånd observerades inte heller. Baryoniums död var ett huvudämne för Antiproton 86-konferensen i Thessaloniki. Vad hade hänt? Den höga kvaliteten på antiprotonstrålarna från LEAR innebar att alla pioner hade sönderfallit. Antiprotonernas höga intensitet (106/s jämfört med cirka 102/s i extraherade strålar vid PS) och en hög momentupplösning på 10-3-10-4 var avgörande vid låga energier för att antiprotoner skulle kunna stoppas med mycket liten räckviddstraggling.
Bildkrediter:
Spektroskopin av mesoner som produceras i pp-annihilation i vila i flera experiment vid LEAR visade sig vara mycket mer fruktbar. Detta fortsatte en tradition som hade påbörjats på 1960-talet med annihilation av antiprotoner i 81 cm vätgasbubbelkammaren vid PS, vilket ledde till upptäckten av E-mesonen (E för Europa, nu η(1440)) och D-mesonen (nu f1(1285)) i pp → (E, D → KKπ)πππ. Den förstnämnda ledde till den långvariga kontroversen om existensen i detta massområde av en glueballkandidat – ett tillstånd som endast består av gluoner – som observerades i radiativ J/ψ-sönderfall vid SLAC:s e+e-kolliderare, SPEAR. När LEAR startade tog experimenten ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel och JETSET över stafettpinnen för mesonspektroskopi i pp-annihilation. ASTERIX upptäckte en tensormeson – AX, nu f2(1565) – som också rapporterades av OBELIX; dess struktur är fortfarande oklar, även om den skulle kunna vara det förutspådda tensorbaryoniumtillståndet.
Crystal Barrel specialiserade sig på upptäckt av multineutrala händelser. Antiprotonerna stoppades i ett mål av flytande väte och π0-mesoner detekterades genom deras γγ-fall i en tunnformad samling av 1380 CsI(Tl)-kristaller. Figur 3 visar detektorn tillsammans med en Dalitz-plott av pp-annihilation till π0π0π0, uppmätt av experimentet. Den ojämna fördelningen av händelserna tyder på förekomsten av mellanresonanser som sönderfaller till π0π0, t.ex. spinn-0 mesonerna f0(980) och f0(1500) och spinn-2 mesonerna f2(1270) och f2(1565). F0(1500) är en bra kandidat för en glueball.
ICE, AA och LEAR
Konstruktionen av LEAR utnyttjade den antiprotonanläggning som byggdes vid CERN 1980 för att leta efter W- och Z-bosonerna vid Super Proton Synchrotron (SPS) som fungerar som en -pp-collider (CERN Courier december 1999 s 15). Antiprotonerna uppstod när 26 GeV-protoner från PS träffade ett mål. De kom ut med en genomsnittlig impuls på 3,5 GeV/c och samlades in i antiprotonackumulatorn (AA), och en ren antiprotonstråle med små tvärgående dimensioner genererades genom stokastisk kylning. Upp till 1012 antiprotoner per dag kunde genereras och lagras. Antiprotonerna extraherades sedan och injicerades i PS. Efter acceleration till 26 GeV överfördes de till SPS där de cirkulerade i samma strålrör som protonerna, men i motsatt riktning. Efter en sista acceleration till 270 GeV fördes antiprotonerna och protonerna i kollision.
För injektion i LEAR bromsades antiprotonerna på 3,5 GeV/c från AA ner i PS, ner till 600 MeV/c. När de väl hade lagrats i LEAR, bromsades de ytterligare till 60 MeV/c och extraherades sedan långsamt med en typisk intensitet på 106/s. LEAR startade 1982 och genomförde så många som 16 experiment innan den avvecklades 1996. Magnetringen LEAR lever vidare i Low Energy Ion Ring, som utgör en del av injektionskedjan för tunga joner till LHC.
LEAR gynnades också av Initial Cooling Experiment (ICE), en lagringsring som utformades i slutet av 1970-talet för att testa Simon van der Meers idé om stokastisk kylning av antiprotoner, och senare för att undersöka elektronkylning. Efter väsentliga ändringar fortsatte elektronkylaren från ICE att hjälpa till att kyla antiprotoner vid LEAR och används nu vid CERN:s nuvarande antiprotonanläggning, AD (CERN Courier september 2009, s. 13). ICE bidrog också till mätningar av antiprotoner när den i augusti 1978 lyckades lagra antiprotoner vid 2,1 GeV/c – en världsnyhet – och höll dem cirkulerande i 32 timmar. Den tidigare bästa experimentella mätningen av antiprotonernas livslängd, från bubbelkammarexperiment, var cirka 10-4 s; nu vet man att den är mer än 8 × 105 år.
Fundamentala symmetrier
CPT-satsen postulerar att de fysiska lagarna förblir desamma när den kombinerade operationen CPT utförs. CPT-invarians uppstår genom att man i kvantfältsteorier antar vissa krav, t.ex. Lorentz-invarians och punktliknande elementarpartiklar. CPT-överträdelse är dock möjlig på mycket små längdskalor och kan leda till små skillnader mellan egenskaperna hos partiklar och antipartiklar, t.ex. livslängd, tröghetsmassa och magnetiskt moment.
I LEAR utförde TRAP-samarbetet (PS196) en rad banbrytande experiment för att exakt jämföra laddning-till-massa-förhållandet mellan protoner och antiprotoner med hjälp av antiprotoner som lagrats i en kall elektromagnetisk (Penning-)fälla. Signalen från en enda lagrad antiproton kunde observeras, och antiprotoner lagrades i fällan i upp till två månader. Genom att mäta cyklotronfrekvensen hos de omloppsgående antiprotonerna med en oscillator och jämföra den med cyklotronfrekvensen hos H-joner i samma fälla uppnådde teamet slutligen ett resultat på nivån 9 × 10-11. I experimentet användes H-joner i stället för protoner för att undvika bias när man vänder på tecknen för de elektriska och magnetiska fälten.
Under antagandet om CPT-invarians innebär den kränkning av CP-symmetrin som först observerades i det neutrala kaonsystemet 1964 att T-invariansen också är kränkt. År 1998 visade dock CPLEAR-experimentet att T-symmetrin kränks i det neutrala kaonsystemet utan att man antar CPT-bevarande (CERN Courier mars 1999 s21). K0 och K0 förvandlas till varandra som en funktion av tiden, och T-överträdelsen innebär att vid en given tid t är sannolikheten att hitta en K0 när ursprungligen en K0 producerades inte lika stor som sannolikheten att hitta en K0 när en K0 producerades. CPLEAR fastställde identiteten hos den ursprungliga kaon genom att mäta tecknet hos den associerade laddade kaon i annihilationen pp → K+K0π- eller K-K0π+; kaonens tecken vid tid t kunde härledas genom att upptäcka sönderfallen K0 → π+e- ν och K0 → π-e+ν. Figur 4 visar att en liten asymmetri verkligen observerades, vilket överensstämmer med förväntningarna från CP-överträdelse, om man antar CPT-invarians.
CPT-satsen förutsäger också att materia och antimateria bör ha identiska atomära exciteringsspektra. Antiväte – den enklaste formen av neutral antimateria som består av en positron som kretsar kring en antiproton – observerades för första gången i experimentet PS210 vid LEAR. Den cirkulerande 1,9 GeV/c interna antiprotonstrålen genomkorsade ett mål med en xenonklusterjet, vilket gjorde det möjligt att producera ett e+e- par när en antiproton passerade genom coulombfältet hos en xenonkärna. E+-paret skulle sedan kunna fångas in av antiprotonen för att bilda elektriskt neutralt antiväte med en impuls på 1,9 GeV/c, vilket skulle kunna detekteras längre nedströms genom dess annihilation till pioner och fotoner. Denna produktionsprocess är ganska sällsynt, men ändå rapporterade PS210-samarbetet bevis för nio antiväteatomer efter ungefär två månaders datainsamling i augusti-september 1995, och bara några månader innan LEAR stängdes ner. Observationen av antiväte bekräftades två år senare vid Fermilabs antiprotonackumulator, om än med ett mycket mindre produktionstvärsnitt.
I AD
Ett nytt kapitel i historien om antiväte vid CERN inleddes år 2000 med uppstarten av AD, som bromsar antiprotoner till 100 MeV/c, innan den extraherar dem för experiment om antimateria och atomfysik (CERN Courier november 1999 s 17). I PS210-experimentet hade man försökt framställa antiväte under flygning, men för att studera t.ex. spektroskopi av antiväte är det mycket lämpligare att lagra antiväteatomer i elektromagnetiska fällor, precis som TRAP hade gjort i sina antiprotonexperiment. Detta kräver att antiväte produceras vid mycket låga energier, vilket AD hjälper till att uppnå.
Bildkrediter: Under 2002 visade ATHENA- och ATRAP-experimenten vid AD att ett stort antal långsamma antiväteatomer kan produceras (CERN Courier november 2002 s5och december 2002 s5). I ATHENA användes absorberande folier för att minska energin hos antiprotonerna från AD till några kilo-elektronvolt. En liten del av antiprotonstrålen fångades sedan in i en Penning-fälla, medan positroner från en radioaktiv natriumkälla lagrades i en andra fälla. Antiproton- och positronmolnen överfördes sedan till en tredje fälla och fick överlappa varandra för att producera elektriskt neutralt antiväte, som vandrade mot kryostatens väggar och annihilerades. Antikvävedetektorn innehöll två lager kiselmikrostrips för att spåra de laddade pionerna från annihilationen av antiprotoner, och en matris med 192 CsI-kristaller detekterade och mätte energin hos fotonerna från positronernas annihilation (figur 5). Ungefär en miljon antiväteatomer producerades under experimentets gång, vilket motsvarar en genomsnittlig hastighet på 10 antiatomer per sekund.
Antiväte har ett magnetiskt dipolmoment (positronens), vilket innebär att det kan fångas in i ett inhomogent magnetfält. Det första försöket att göra detta genomfördes vid AD av ALPHA-experimentet, som lyckades fånga 38 antiväteatomer i ett oktupolärt magnetfält (CERN Courier mars 2011 s 13). Den ursprungliga lagringstiden för antiväte på 172 ms ökades senare till cirka 15 minuter, vilket banade väg för experiment med atomspektroskopi. Ett känsligt test av CPT är att framkalla övergångar från singulett- till triplettspinntillstånd (hyperfinklyvning, eller HfS) i antiväteatomen och att jämföra övergångsenergin med energin för väte, som är känd med mycket hög precision. ALPHA gjorde de första framgångsrika försöken att mäta HfS med mikrovågsstrålning och lyckades vända positronspinnet och kasta ut 23 antiväteatomer ur fällan (CERN Courier april 2012 s 7).
En alternativ metod är att utföra ett experiment av Stern-Gerlach-typ med en antivätestråle. I ASACUSA-experimentet har man använt en anti-Helmholtz-spole (cusp-fälla) för att utöva krafter på antiväteatomerna och för att välja ut dem som befinner sig i ett visst positronspinntillstånd. Polarisationen kan sedan vändas med mikrovågor av lämplig frekvens. I ett första lyckat test upptäcktes 80 antiväteatomer nedströms från produktionsområdet (CERN Courier mars 2014 s5).
Samarbetet ASACUSA har också testat CPT, med hjälp av antiprotoner som stoppats i helium. Antiprotonen fångades in genom att en av de två elektronerna i omloppsbana kastades ut, och den efterföljande antiprotoniska heliumatomen lämnades i ett atomärt tillstånd med hög nivå och lång livslängd, vilket är möjligt att excitera med laser. Genom att använda två motstridiga laserstrålar (för att minska den dopplerbreddning som orsakas av termisk rörelse) kunde gruppen bestämma massförhållandet mellan antiprotoner och elektroner med en precision på 1,3 ppb (CERN Courier, september 2011, s. 7). En tidigare jämförelse av förhållandet mellan laddning och massa mellan proton och antiproton hade utförts med en precision på 0,09 ppb av TRAP-samarbetet vid LEAR, som beskrivits ovan. När resultaten från ASACUSA och TRAP kombineras bestäms protonens och antiprotonens massor och laddningar vara lika med en noggrannhet under 0,7 ppb.
CPT kräver också att det magnetiska momentet hos en partikel ska vara lika med (minus) det hos dess antipartikel. Det BASE-experiment som nu pågår vid AD kommer att bestämma antiprotonens magnetiska moment till 1 ppb genom att mäta den spinberoende axiella svängningsfrekvensen i en Penning-fälla som utsätts för en stark magnetfältsgradient. Det experimentella tillvägagångssättet liknar det som används för att mäta protonens magnetiska moment med en precision på 3 ppb (CERN Courier juli/augusti 2014 s8). Samarbetet har redan jämfört antiprotonens och protonens förhållande mellan laddning och massa med en fraktionell precision på 6,9 × 10-11 (p7).
Bildkredit: AEgIS Collaboration.
Den svaga ekvivalensprincipen (WEP), som säger att alla objekt accelereras på exakt samma sätt i gravitationsfält, har aldrig testats med antimateria. Försök med positroner eller antiprotoner har hittills misslyckats, till följd av vilda elektriska eller magnetiska fält. Däremot är den elektriskt neutrala antiväteatomen en idealisk sond för att testa WEP. AEgIS-samarbetet vid AD planerar att mäta en antivätestråle på ett avstånd av typiskt 1 m med en deflektometer med två galler. Förskjutningen av moiré-mönstret som induceras av gravitationen kommer att mätas med hög upplösning (cirka 1 μm) med hjälp av kärnemulsioner (figur 6) – samma detektionsteknik som användes för att demonstrera annihilationen av antiprotoner vid Bevatron 1956.
Framtiden är ELENA
Framtida experiment med antimateria vid CERN kommer att gynnas av ELENA-projektet (Extra Low ENergy Antiproton), som kommer att tas i drift i slutet av 2017. Fångsteffektiviteten för antiprotoner i experiment vid AD är för närvarande mycket låg (mindre än 0,1 %), eftersom de flesta av dem går förlorade när man degraderar 5 MeV-strålen från AD till de få kilo-elektronvolt som krävs för spänningen i de elektromagnetiska fällornas inneslutningsspänning. För att komma till rätta med detta kommer ELENA – en elektronkyld lagringsring med 30 meters omkrets som kommer att placeras i AD-hallen – att bromsa antiprotoner ned till typiskt sett 100 keV. Snabb extraktion (i motsats till den långsamma extraktion som fanns tillgänglig vid LEAR) planeras för att försörja fällaxperimenten.
Ett experiment som kommer att dra nytta av denna nya anläggning är GBAR, som också syftar till att mäta gravitationsaccelerationen hos antiväte. Positroner kommer att produceras av en 4,3 MeV elektronlinac och användas för att skapa positiva vätevätejoner (dvs. en antiproton med två positroner) som kan överföras till en elektromagnetisk fälla och kylas till 10 mK. Efter överföring till en annan fälla, där en av positronerna lossnar, kommer antihydrogenet att skjutas upp vertikalt med en medelhastighet på cirka 1 m/s (CERN Courier mars 2014 s31).
Det är värt att påminna om att upptäckten av antiprotonen i Berkeley baserades på ett 60-tal antiprotoner som observerades under en sjutimmarslöpning. Strålen på 1,2 GeV/c innehöll 5 × 104 fler pioner än antiprotoner. I dag levererar AD rena strålar med cirka 3 × 107 antiprotoner var 100:e sekund vid 100 MeV/c, vilket gör CERN-laboratoriet unikt i världen när det gäller studier av antimateria. Under årtionden har antiprotonstrålar lett till upptäckten av nya mesoner och möjliggjort exakta tester av symmetrier mellan materia och antimateria. Nu jämförs egenskaperna hos väte och antiväte, och noggranna tester kommer att utföras med ELENA. Oddsen att se något brott mot den exakta symmetrin är små, eftersom CPT-satsen är en grundläggande lag i fysiken. Erfarenheten visar dock att – precis som vid den överraskande upptäckten av icke-konservering av paritet 1957 och CP-överträdelse 1964 – kommer experimenten i slutändan att ha sista ordet.