Physik mit gespeicherten Antiprotonen

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1 Seminarvortrag im Rahmen des F-Praktikums Johannes Gutenberg Universität Mainz Physik mit gespeicherten Antiprotonen Benjamin Trefz 3.Mai 2010 Zusammenfassung Antiprotonen werden in Experimenten zur Überprüfung der Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen benötigt. Auÿerdem lassen sich mit Antiprotonen in Speicherringen kurzlebige Teilchen erzeugen, mit welchen das Standardmodell der Teilchen überprüft, beziehungsweise vervollständigt werden kann. In dem Vortrag wurden ausgewählte historische Ereignisse um die Antimaterie, die Erzeugung, Kühlung und Speicherung von Antiprotonen, sowie einige Experimente mit Antiprotonen vorgestellt. 1

2 1 Geschichte der Antimaterie 1.2 Entdeckung des Positrons 1.1 Vorhersage des Positrons Im Jahr 1928 stellte der Physiker Paul Dirac die nach ihm benannte Diracgleichung auf, mit der er 1929 ein positiv geladenes Elektron vorhersagte. Dies folgerte er aus der Tatsache, dass man für die Lösung der Diracgleichung zwei Energieeigenwerte erhält. E = ± m 2 + p 2 Dirac musste eine Interpretation liefern, wieso das Teilchen im oberen Energiezustand nicht unter Energieabstrahlung in den unteren Energiezustand zerfällt. Dafür führte er den sogenannten Diracsee ein, wonach alle unteren Energieeigenwerte bereits besetzt sind und das Elektron (Fermion) deshalb aufgrund des Pauliverbots nicht in den unteren Enegiezustand fallen kann. Da nach dieser Interpretation eine unendliche Masse vorhanden sein müsste und dies theoretisch nicht haltbar ist, wurde die Idee des Diracsees verworfen. Heute verwendet man stattdessen die Feynman-Stückelberg- Interpretation, wonach sich ein Antiteilchen mathematisch negativ in der Zeit bewegt. Abbildung 1: Entdeckung des Positrons Carl David Anderson entdeckte 1932 das postullierte Positron als er mithilfe einer Nebelkammer die kosmische Höhenstrahlung untersuchte. Die Aufnahme des ersten Positrons ist in Abbildung 1 zu sehen. Für die Entdeckung des Positrons bekam Anderson 1937 den Physiknobelpreis. 1.3 Entdeckung des Antiprotons 1955 wurde in Berkley das Antiproton erstmals nachgewiesen. Dazu wurde mit einem Protonenstrahl mit 6.3 GeV auf ein Kupfertarget geschossen. Der Originalveruchsaufbau ist in Abbildung 2 dargestellt. 2

3 Abbildung 2: Entdeckung des Antiprotons Bei der Messung wurden 250 Antiprotonen gezählt, jedoch ist eine gute Untergrundkorrektur nötig, da bei dieser Versuchsdurchführung zwei Antiprotonen auf 10 5 π Mesonen kommen. Man entschied sich die Geschwindigkeit auf zwei verschiedene Weisen zu messen. Zum Einen wird die Geschwindigkeit elektronisch aufgenommen, indem die Flugzeit zwischen den ersten Szintillationszähler S1 und dem zweiten S2 gemessen wird. Zum Anderen schlägt der Cherenkowzähler C1 bei einer Geschwindigkeit von > 78% c an (Erwartete Geschwindikeit der π -Mesonen), C2 dagegen zwischen 75% c < v < 78% c (Erwartete Geschwindigkeit der Antiprotonen). 1.4 Entdeckung des Antiwasserstos 1995 entdeckte die Arbeitsgruppe um Walter Oelert den Antiwassersto am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Dazu wurden senkrecht zu den Antiprotonen, welche im LEAR (Low Energy Antiproton Ring) gespeichert waren, Xenoncluster eingeschossen. Über die elektromagnetische Wechselwirkung kann es zur Paarbildung von Positron und Elektron kommen. In seltenen Fällen (Wahrscheinlichkeit ) kommt es zur Rekombination von Positron und Antiproton zu Antiwassersto, welcher den Ringbeschleuniger verlässt und nachgewiesen wird. Auf diese Weise konnten neun Antiwasserstoatome nachgewiesen werden. 2 Erzeugung und Speicherung von Antiprotonen Um ein Protonen-Antiproton-Paar erzeugen zu können, muss im Ruhesystem genügend Energie vorhanden sein. Da man üblicherweise eine Produktion mit einem Protonenstrahl wählt, gilt die Reaktionsgleichung: p + p 25 GeV p + p + p + p Man benötigt also für die Erzeugung eines Protonen-Antiprotonen-Paares auf diesem Weg eine minimale Energie von: E kin,min = 6 m 0 c GeV Da man allerdings nur die Antiprotonen nutzen kann, welche das Target auf der Rückseite in einem kleinen Winkel verlassen, wählt man eine Energie von ca. 25 GeV, denn der dierentielle Wirkungsquerschnitt wird mit 3

4 zunehmendem Protonenimpuls gröÿer. Jedoch darf der Impuls auch nicht zu hoch gewählt werden, da auch der mittlere Impuls der Antiprotonen zunimmt, wenn der Protonenimpuls erhöht wird, und dies eine aufwendigere Kühlung mit sich bringt. 3 Experimente mit gespeicherten Antiprotonen 3.1 Antiprotonen Decelerator Der AD (Antiprotonen Decelerator) ist ein Speicherring am CERN mit der Aufgabe die erzeugten Antiprotonen auf kleine Impulse zu kühlen. Dazu wird im AD sowohl die stochastische als auch die Elektronenkühlung verwendet. Bei der stochastischen Kühlung wird der Ort eines Teilchens mittels eines Pick-up-Sensors gemessen und so der Abstand zur Solllinie aufgenommen. Dieses Signal wird verstärkt und durch den Ring an den Kicker weitergeleitet. Dieser verschiebt das Teilchen dann näher zur Solllinie. Neben der Kühlung der einzelnen Teilchen kommt es allerdings zum Aufheizen benachbarter Teilchen. Da man davon ausgehen kann, dass die benachbarten Teilchen ihrerseits statistisch um die Solllinie verteilt sind, ist der Heizvorgang ein Eekt zweiter Ordnung. Bei der Elektronenkühlung wird der Teilchenstrahl für eine kurze Wegstrecke mit einem kohärenten Elektronenstrahl überlagert. Da die Elektronen mit sehr wenig Emittanz erzeugt werden, sind sie deutlich kälter als der Teilchenstrahl. Durch Impulsübertrag werden die Teilchen gekühlt, während sich die Elektronen aufheizen. Am Ende der gemeinsamen Wegstrecke werden die Elektronen ausgekoppelt und aufgefangen. Der AD kühlt die erzeugten Antiprotonen von einem mittleren Impuls von ca. 3.5 GeV c auf 100 MeV c Athena Das Ziel von Athena war es, zu zeigen, dass Antiwassersto auch in groÿen Mengen erzeugt werden kann. Dazu werden die Antiprotonen vom AD in einer Antiprotonenfalle eingefangen und weiter abgekühlt. Die Abkühlung in der zylindrischen Penningfalle erfolgt über Impulsübertrag an ebenfalls eingefangene Elektronen, welche ihrerseits ihre Energie über die Synchrotronstrahlung abgeben können. Abbildung 3: Mischfalle 4

5 In der Mischfalle (siehe Abbildung 3) werden dann zunächst Positronen eingefangen. Da Antiprotonen und Positronen entgegengesetzt geladen sind, kann man sie nicht in einer Falle einfangen und muss stattdessen eine verschachtelte Penningfalle benutzen. Dort sind die Antiprotonen in einem etwas gröÿeren Raumgebiet gefangen. In der Mischfalle kommt es dann zur Rekombination. Der elektrisch neutrale Antiwassersto wird von der Falle nicht mehr beeinusst und annihiliert mit dem Fallenmaterial unter Aussendung der charakteristischen Vernichtungsstrahlungen, welche von den Detektoren gemessen und gezählt werden. Auf diese Weise stellte Athena Antiprotonen her Asacusa lässt sich durch Messung der Wellenlänge eines Übergangs also die Masse des Antiprotons errechnen und mit der des Protons vergleichen. Asacusa hat mehrere Strahlgänge hochpräzise vermessen und noch keine Abweichung zur Protonenmasse feststellen können. 3.2 Panda Die Panda-Arbeitsgruppe (AntiProton ANnihilation at DArmstadt) wird ihre Experimente am HESR (HochEnergie SpeicherRing) in Darmstadt an der GSI durchführen. Der Ausbau ist gegenwärtig aber noch nicht abgeschlossen. Die Experimente unterscheiden sich von den am CERN durchgeführten dadurch, dass hier die Experimente im Strahlgang, also im Speicherring, statt- nden sollen Hyperkerne Abbildung 4: Antiprotonisches Helium Asacusa untersucht exotische Kerne in Form von antiprotonischem Helium. Dabei handelt es sich also um ein Heliumatom, bei welchem ein Hüllenelektron durch ein Antiproton erstetzt wurde. Nach der (vereinfachten) Formel 1 λ = R Z2 1 + m p M ( 1 1 ) n 2 2 n 2 1 Abbildung 5: Erzeugung von Doppelhyperkernen Mithilfe eines scharf denierten Antiprotonen Impulses sollen im primären Target Hyperonen-Antihyperonen Paare an der Schwelle (also mit möglichst geringer kinetischer Energie) er- 5

6 zeugt werden. Das Antihyperon oder seine Zerfallsprodukte dienen als Trigger für die Gammaspektroskopie, mit welcher man Doppelhyperkerne untersuchen will. Das Hyperon verlässt den Kern und trit auf ein weiteres Target. Dort soll es den Platz eines Hüllenelektrons einnehmen und kaskadenartig unter Aussendung von Gammastrahlung nach unten fallen, bis es durch Wechselwirkung mit dem Kern in diesen aufgenommen wird. Das Ξ kann mit einem Proton im Kern nach folgender Reaktionsgleichung reagieren: Ξ + p Λ + Λ + E(28MeV) Auf diese Weise lieÿe sich ein Doppelhyperkern herstellen. Die Untersuchung von Doppelhyperkernen ist bis jetzt noch nicht durchgeführt worden. Zur Zeit gibt es lediglich 6 Ereignisse welche Doppelhyperkernen zugeordnet werden konnten. Dabei lässt die Untersuchung von Doppelhyperkernen auf die Wechselwirkung der Λ-Teilchen untereinander schlieÿen. 4 Quellen The Positive Electron, Phys. Rev , Anderson C.D., 1933 Die Entdeckung des Antiprotons, Die Naturwissenschaften Heft 6, Lüders, G., Göttingen, 1956 Production of antihydrogen, Physics Letters 368, Baur, G.; Boero, G.; Brauskiepe, S.; Buzzo, A., 1996 Stochastic cooling and the accumulation of antiprotons, Rev. Mod. Phys. 57, S. van der Meer, 1985 Materie und Antimaterie: Teilchenbeschleuniger und der Vorstoÿ zum unendlich Kleinen, Schopper H., 1989 Experimentalphysik 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik, Demtröder W.,