Milyen nehéz az antiproton? avagy: (sok)minden, amit az ASACUSA* kísérletről tudni akartál Barna Dániel Tokyoi Egyetem MTA Wigner FK Sótér Anna Max Planck Institut, Garching Horváth Dezső MTA Wigner FK (… és természetesen még néhány nem-magyar) *Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons
CERN AD & Asacusa ●
Lassítás: 3.57 GeV/c → 100 MeV/c (Ekin=5.3 MeV)
●
Sztochasztikus & elektron hűtés
●
1 bunch (~107 P) / 100 s
ATRAP (H) ALPHA (H) ASACUSA (H, P-He, dE/dx, σannihil)
Mi az antianyag?
●
●
A Dirac-elmélet jóslata szerint (1928) a világ kettős, minden anyagi részecskének létezik egy “antirészecskéje”. Ezt annak idején szkeptikusan fogadták, nehéz volt értelmezni, a kísérletek azonban teljes mértékben igazolták: - pozitron (1932): Carl Anderson - antiproton (1955): Emilio Segrè, Owen Chamberlain - stb
Mik a természet szimmetriái?
Mik a természet szimmetriái?
Mik a természet szimmetriái? Tü
kö r?
Mik a természet szimmetriái? Tü
kö r
va gy
ne m
tü kö
r?
Ha nem tudjuk eldönteni pusztán a megfigyelt jelenség alapján, akkor ez a művelet (azaz a tértükrözés: P) szimmetria. (a jelenség és a tükrözöttje is megtörténhet) Ha filmen nézünk egy jelenséget, és nem tudjuk eldönteni hogy a filmet visszafele pörgetik-e, akkor az időtükrözés (T) ennek a jelenségcsoportnak szimmetriája
Mik a természet szimmetriái? Mindennapjainkban sok jelenségnek a T és P szimmetriája. A részecskefizikában azonban csak a következő három transzformáció együttese szimmetria: ● ● ●
C P T
részecske↔antirészecske tértükrözés időtükrözés
A STANDARD MODELL (ami nagyon jól működik) nagyon mélyen ezen alapul, következményei pl: ● m = mantirészecske részecske ● |q | = |qantirészecske| részecske De nincs-e mégis egy nagyon kicsi szimmetriasértés? És miért nem látunk antigalaxisokat?
Mennyi az antiproton (p) tömege? mp = mP? Nagypontosságú méréshez el kell kapni az antiprotont
Penning csapda (sztatikus elektromos és mágneses tér)
Antiprotonos atom (antiproton helyettesít egy elektront)
Exotikus (antiprotonos) atomok
P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából → mP (precízió: 5 x 10-5)
Exotikus (antiprotonos) atomok
P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából → mP (precízió: 5 x 10-5) Antiprotonos hélium mag + P + elektron magasan gerjesztett Rydberg állapotban (n~38, l~n-1)
Exotikus (antiprotonos) atomok
P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából → mP (precízió: 5 x 10-5) Antiprotonos hélium egyedülálló! mag + P + elektron magasan gerjesztett Rydberg állapotban (n~38, l~n-1) ~3% metastabil állapotban (τ=3-4 μs) antiproton atomi átmenetei a látható tartományban vannak
# of annihilations [a.u.]
97% 3% metastable
Idő [μs]
Exotikus (antiprotonos) atomok
P lelassul anyagban - befogódik egy atomi pályára - rögtön legerjesztődik és annihilál a maggal. Atomi kaszkád során kibocsátott röntgensugárzás spektrumából → mP (precízió: 5 x 10-5) Antiprotonos hélium egyedülálló! mag + P + elektron magasan gerjesztett Rydberg állapotban (n~38, l~n-1) ~3% metastabil állapotban (τ=3-4 μs) antiproton atomi átmenetei a látható tartományban vannak
}
Antiprotonos hélium lézerspektroszkópiája (igen pontos!) → antiproton tömege
Kísérleti programunk
Mérjük ki az antiprotonos hélium atomi átmeneteinek frekvenciáját: νexp Hasonlítsuk össze elméleti 3-test QED számolások eredményével: νth Interpretáció: 1) Megegyeznek-e, feltételezve hogy mP = mP ? 2) νth = νth(mHe, q, me, mP) Pontosabban ismert konstansok ismeretében (R∞,mHe) νth = νth(mP/me) ≡ νexp mP/me Elég ez a néhány mikroszekundum arra, hogy igen pontos mérést végezzünk?
A nagy és a kicsi...
Méret
Élethossz
Pulzus
3 méter
~cm
8 cm
32 pm
70 év
akár több hónap
1 év
2-3 mikroszekundum
magnetron, axiális, cyclotron frekvencia 10 kHz - 100 MHz
550/perc
p atomi átmenet 300-1100 THz
28/perc
Nehéz elkapni, manipulálni kell az eszközünket
Könnyű elkapni: csak tedd oda a csapdát/héliumot, és várj hogy beleszaladjon
A nagy és a kicsi...
Méret
Élethossz
Pulzus
3 méter
~cm
8 cm
32 pm
70 év
akár több hónap
1 év
2-3 mikroszekundum
magnetron, axiális, cyclotron frekvencia 10 kHz - 100 MHz
550/perc
p atomi átmenet 300-1100 THz
28/perc
Nehéz elkapni, manipulálni kell az eszközünket
Könnyű elkapni: csak tedd oda a csapdát/héliumot, és várj hogy beleszaladjon
A lézerspektroszkópia elve
P főkvantumszám
mellékkvantumszám
A lézerspektroszkópia elve
ION
Gázbeli ütközések (Stark mixing)
π π π S-pályán antiproton annihilál a maggal. Detektáljuk a pionokat!
A lézerspektroszkópia elve
Annihilációs csúcs a lézerimpulzussal egy időben
Az annihilációs csúcs méretét ábrázoljuk a lézerfrekvencia függvényében.
Céltárgy: T=15 K (újabban 1.7K) hélium gáz Cherenkov detektor (pionokra)
1-foton átmenetek [PRL 96, 243401 (2006)]
12 atomi átmenetet kimérve:
Mp/me = 1836.152 674(5) [3 x 10-9]
2-foton átmenetek [Nature 475, 484 (2011)] 1-photon átmenet (36,34)→(35,33) [PRL 96, 243401 (2006) ]
1
P 4He (36,34) → (34,32)
2 1 2= atomic Hőmozgás
-1 0 1 Lézer frekvencia - elmélet [GHz] P 4He (33,32)→(31,30)
P He (35,33)→(33,31) 3
-1 0 1 Lézer frekvencia - elmélet [GHz]
Ezt a 3 atomi átmenetet kimérve:
-1 0 1 Lézer frekvencia - elmélet [GHz]
Mp/me = 1836.152 6736(23) [1.3 x 10-9]
Az (anti)proton-elektron tömegarány proton
CPT teszt: proton-antiproton tömegének összehasonlítása
Korábbi 1-foton eredmények
proton
Az (anti)proton-elektron tömegarány Feltételezve hogy CPT igaz, és proton=antiproton e négy kísérlet adta a 2006-os “hivatalos” proton-elektron tömegarányt
Korábbi 1-foton eredmények
proton
Az (anti)proton-elektron tömegarány
●
●
Legutóbbi 2-foton eredmények
CPT tesztként: egyezés a CODATA2002 mP/me tömegaránnyal: 1.3 x 10-9 P/e arány közelíti a P/e arány pontosságát
proton
Az (anti)proton-elektron tömegarány
A jelenlegi “hivatalos” proton-elektron tömegarányt az ASACUSA és más kísérletek eredményei határozzák meg
Epilógus
mP = mP (hibahatáron belül) Az ASACUSA eredményei is hozzájárulnak a jelenlegi hivatalos proton-elektron tömegarányhoz. Az általunk mért antiproton-elektron tömegarány kezdi megközelíteni pontosságban a proton-elektron tömegarányt A mérések ebben a pillanatban is folynak, immár T=1.7 K-en (egy- és két-foton spektroszkópia). Előzetes: a pontosságban további javulás váható.
