Test des CPT-Theorems mit Antiwasserstoff

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1 Test des CPT-Theorems mit Antiwasserstoff Seminar Präzisionsexperimente Benjamin Daiber Betreuung: Prof. S. Menzemer 1

2 Übersicht Theorie Was ist CPT? CPT-Theorem Auswirkungen auf die Physik Test mit Antiwasserstoff Erzeugung von Antiwasserstoff Antiprotonen Positronen Detektion Messung der schweren Masse 2

3 Was bedeutet CPT? Operatoren: C: Austausch von Partikel-Antipartikel P: Parität T: Zeitumkehr Richtung der Reaktion 3

4 CPT-Theorem Bedeutung: Physik invariant unter CPT Transformation Standardmodell beinhaltet CPT-Invarianz Grundlage jeder Quantenfeldtheorie Verletzung ist Hinweis auf neue Physik z.b. Stringtheorien 4

5 Aussagen CPT-Theorem Gleiche träge Massen Gleiche Lebensdauer von Zerfällen Ladungsgleichheit Gleiche Energieniveaus Teilchen Antiteilchen? 5

6 Warum Präzisionsmessung? Genauigkeit: Für Paritätsverletzung: Für CP-Verletzung: Im Moment, CPT: Laserspektroskopie der HFS: 6

7 Warum Antiwasserstoff? CPT-Invarianz Direkte Vermessung der HFS möglich Gleiche Systeme Direkte Messung Schwere Masse Test der ART Fällt Anti-H nach oben? Test bei neutralen Atomen deutlich präziser 7

8 Experiment: ALPHA Geschichte am CERN: 1995: neun(!) Antiwasserstoff 2002: ATHENA kaltes Antiwasserstoff 8

9 Antiwasserstoff in ALPHA Ziel des Versuchs: Langsame Anti-Protonen (200K) mit langsamen Positronen (40K) -> langsames Antiwasserstoff (<0,5K) Lange Speicherung (16min) möglichst viele Anti-H (400) Kompletter Aufbau: Kryogene Temperaturen (7,5K) Evakuiert mit ( )mbar 9

10 Experimentelles Vorgehen 1.Erzeugung kalter Antiprotonen 2.Zwischenspeicherung und Kühlung im Experiment 3.Erzeugung kalter Positronen 4.Beförderung beider in Experimentiervolumen 5.Interaktion zu Antiwasserstoff 6.Ausschalten der Magneten zur Detektion 7.Detektion durch Lagen von Szintillatoren 10

11 Überblick 11

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14 Antiprotonen Erzeugung 1.Erzeugung durch Protonen auf Target 2.Resultat: 3,5 GeV (40TK) Antiprotonen 3.Veringerung der Emittanz des Strahls 4.Abbremsung durch den Beschleuniger 5.Resultat : 30Mio bei 5,3MeV = 60 GK 6.Beförderung in Experiment durch Kicker 14

15 Verringerung der Emittanz der Antiprotonen Stochastische Kühlung: Nobelpreis für van der Meer 1984 Detektion von Abweichung der Kreisbahn Ändern der Flugbahn eines Paketes durch el. Feld Beförderung in die Mitte Strahl wird dünner 15

16 Verringerung der Emittanz der Antiprotonen Elektronenkühlung Einschiessen von gleich schnellen Elektronen Sehr schmale Energieverteilung Schnellere Protonen geben Impuls ab Abtrennen der Elektronen 16

17 Zeitlicher Verlauf 30Mio Antiprotonen bei 5,3MeV 17

18 Antiproton Decellerator d=60m 18

19 Speicherung: Penning Falle 19

20 Weitere Kühlung 1.Abbremsung durch Aluminium Folie 2.Fangen von 0,1% in einer 3T Penning Falle 3.Kühlung durch Stöße mit Elektronen 4.Elektronen werden synchrotrongekühlt 5.Evaporative Cooling 20

21 Malmberg-Penning Falle Vorteil: Einfaches Einschiessen der Teilchen Potentialtiefe einstellbar (3,4keV) Es bleiben Antiprotonen bei 1000K 3,4 kv 21

22 Evaporative Cooling Es bleiben 3000 Antiprotonen bei 9K 22

23 Erzeugung der Positronen 22 1.Zerfall von Na 2.Abkühlung durch Stöße mit Stickstoff 3.Sammeln in Penning Falle 4.Kühlung durch Synchrotronstrahlung 5.Beförderung über 2m in Experiment 6.Wieder Kühlung durch Synchrotronstrahlung 7.Evaporative Cooling -> 2 Millionen Teilchen bei 10-40K 23

24 Zusammenführung 3000 Anti-P. ca. 2 Mio. e+ Beide 10K Langsam, durch el. Wechselfelder 1s Interaktion Entfernung der Überreste 24

25 Speicherung 25

26 Speicherung von Antiwasserstoff Penning Falle nur für geladene Atome! Starke Magnetfelder nötig (2T) Nur 0,54K Potentialtiefe Kraft auf Anti-H: 26

27 Detail 27

28 Detektion des Antiwasserstoffs Quenchen des Magnetfelds Annihilation am Rand 3 Lagen Szintillatoren Filtern der kosmische Myonen zu 99.5% 28

29 War das wirklich Antiwasserstoff? Antiwasserstoff Antiprotonen Theorie: Feld nach links Kein Feld Feld nach rechts 29

30 Schwere vs. Träge Masse Gravitationskraft: Newton: Aus FN=FG folgt: In Materie: 30

31 Test der schweren Masse 1.Quenchen des Magneten τ=9ms 2.Magnetfeld verschwindet 3.Messung der Verteilung der Annihilationen F=100 Magnetfeld+Gravitation 31

32 Ergebnis 434 Antiwasserstoff: rot=messung grün=simulation(f=100) Linien=Durchschnitt 32

33 Ergebnis: y-position gegen Theorie 95% t rot=y (vertikal) grün= x (horiz.) 33

34 Mittlere y-position rot=y (vertikal) grün= x (horiz.) 34

35 Mittlere y-position rot=y (vertikal) grün= x (horiz.) 35

36 Ergebnis: Durch Anwendung genauer stat. Methoden: F<75 (darüber nur 5% Wahrscheinlichkeit) F<110 mit großen systematischen Fehlern Eigentlich Interessant: F=1 oder F=-1 Deutlich mehr Teilchen notwendig! 36

37 Ausblick Lange Speicherung Mehr Teilchen Kältere Ausgangsmaterialien Laserkühlung Schwere Masse genauer messen Systematische Fehler ausmerzen Bessere Statistik Laserspektroskopie der HFS 37

38 Fragen? 38

39 Surko Type Accumulator 39

40 Magnetfeld 40

41 Speicherung 41

42 Rotating Wall Technik 42

43 Statistik 43