El desacelerador de antiprotones ( AD ) es un anillo de almacenamiento en el laboratorio del CERN cerca de Ginebra . [1] Fue construido a partir del Colector de Antiprotones (AC) para ser el sucesor del Anillo de Antiprotones de Baja Energía (LEAR) y comenzó a funcionar en el año 2000. Los antiprotones se crean al incidir un haz de protones del Sincrotrón de Protones sobre un objetivo metálico. . El AD desacelera los antiprotones resultantes a una energía de 5,3 MeV, que luego son expulsados a uno de varios experimentos conectados.
Los objetivos principales de los experimentos en AD son observar espectroscópicamente el antihidrógeno y estudiar los efectos de la gravedad sobre la antimateria. Aunque cada experimento en AD tiene objetivos variados que van desde probar la antimateria para la terapia del cáncer hasta la simetría CPT y la investigación de la antigravedad .
De 1982 a 1996, el CERN operó el Anillo Antiprotón de Baja Energía (LEAR) , a través del cual se llevaron a cabo varios experimentos con antiprotones de movimiento lento. Durante las etapas finales de LEAR, la comunidad física involucrada en esos experimentos con antimateria quiso continuar sus estudios con los antiprotones lentos. La motivación para construir el AD surgió del Taller sobre Antihidrógeno celebrado en Munich en 1992. [2] [3] Esta idea se llevó adelante rápidamente y el estudio de viabilidad del AD se completó en 1995. [4]
En 1996, el Consejo del CERN pidió a la división Proton Synchrotron (PS) que estudiara la posibilidad de generar haces lentos de antiprotones. La división PS preparó un estudio de diseño en 1996 con la solución de utilizar el colector de antiprotones (AC), y transformarlo en una única Máquina Deceleradora de Antiprotones. El AD fue aprobado en febrero de 1997. [5] [6]
El proceso de modificación de CA, instalación de AD y puesta en servicio se llevó a cabo en los siguientes tres años. A finales de 1999, el anillo de CA se modificó para convertirlo en un desacelerador y un sistema de enfriamiento, formando el Decelerador Antiprotón. [3] [7]
El perímetro de forma ovalada del AD tiene cuatro tramos rectos donde se ubican los sistemas de desaceleración y refrigeración. En estas secciones se encuentran varios imanes dipolos y cuadrupolos para evitar la dispersión del haz . Los antiprotones se enfrían y desaceleran en un único ciclo de 100 segundos en el sincrotrón AD. [3]
AD requiere alrededor de protones con un impulso de 26 GeV/c para producir antiprotones por minuto. Los protones de alta energía provenientes del sincrotrón de protones se hacen chocar con una varilla delgada y muy densa de metal iridio de 3 mm de diámetro y 55 cm de longitud. [3] La varilla de iridio incrustada en grafito y encerrada en una caja sellada de titanio refrigerada por agua permanece intacta. Pero las colisiones crean muchas partículas energéticas, incluidos los antiprotones. Una lente magnética tipo cuerno de aluminio bicónica recoge los antiprotones que emergen del objetivo. Este coleccionista recoge el3,5 GeV/c antiprotones y se separan de otras partículas mediante deflexión mediante fuerzas electromagnéticas. [3] [4]
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Los sistemas de radiofrecuencia (RF) desaceleran y agrupan los antiprotones enfriados a 3,5 GeV/c. Numerosos imanes en su interior concentran los antiprotones que se mueven aleatoriamente formando un haz colimado y lo curvan. Al mismo tiempo, los campos eléctricos los desaceleran aún más. [1] [4]
Las etapas de enfriamiento estocástico y de enfriamiento de electrones diseñadas dentro del AD disminuyen la energía de los haces y limitan el haz de antiprotones de cualquier distorsión significativa. Se aplica enfriamiento estocástico para antiprotones a 3,5 GeV/c y luego a 2 GeV/c, seguido de enfriamiento de electrones a 0,3 GeV/c y a 0,1 GeV/c. El haz de salida final tiene un momento de 0,1 GeV/c ( energía cinética igual a 5,3 MeV). Estos antiprotones se mueven a una velocidad de aproximadamente una décima parte de la de la luz. [1] [3] [7]
Pero los experimentos necesitan haces de energía mucho más baja (de 3 a 5 KeV). Entonces, los antiprotones se desaceleran nuevamente a ~5 KeV, utilizando láminas degradadoras. Este paso representa la pérdida del 99,9% de los antiprotones. Los antiprotones recolectados se almacenan temporalmente en las trampas Penning ; antes de ser introducido en los diversos experimentos de AD. Las trampas de Penning también pueden formar antihidrógeno combinando antiprotones con positrones . [3] [7]
ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) es un anillo de almacenamiento hexagonal de 30 m situado dentro del complejo AD. [8] [9] Está diseñado para desacelerar aún más el haz de antiprotones a una energía de 0,1 MeV para mediciones más precisas. [10] [11] El primer haz circuló ELENA el 18 de noviembre de 2016. [12] GBAR fue el primer experimento en utilizar un haz de ELENA, y el resto de los experimentos AD seguirán el ejemplo después de LS2 cuando las líneas de transferencia de haz de ELENA Se han colocado a todos los experimentos que utilizan la instalación. [13]
ATHENA , experimento AD-1, fue un proyecto de investigación de antimateria que tuvo lugar en el Desacelerador de Antiprotones. En agosto de 2002, fue el primer experimento que produjo 50.000 átomos de antihidrógeno de baja energía , como informó Nature . [14] [15] En 2005, ATHENA se disolvió y muchos de los ex miembros trabajaron en el experimento ALPHA posterior.
La colaboración Antihydrogen Trap (ATRAP), responsable del experimento AD-2, es una continuación de la colaboración TRAP , que comenzó a tomar datos para el experimento PS196 en 1985. [16] [17] El experimento TRAP (PS196) fue pionero en antiprotones fríos , positrones fríos y por primera vez hizo que los ingredientes del antihidrógeno frío interactuaran. Posteriormente, los miembros de ATRAP fueron pioneros en la espectroscopia precisa del hidrógeno y observaron los primeros átomos calientes de antihidrógeno.
La espectroscopia atómica y colisiones utilizando antiprotones lentos (ASACUSA), AD-3, es un experimento que prueba la simetría CPT mediante espectroscopia láser de helio antiprotónico y espectroscopia de microondas de la estructura hiperfina del antihidrógeno . Compara materia y antimateria utilizando antihidrógeno y helio antiprotónico y analiza las colisiones materia-antimateria. [18] [19] También mide secciones transversales atómicas y nucleares de antiprotones en varios objetivos a energías extremadamente bajas. [20]
El experimento de células antiprotones (ACE), AD-4, se inició en 2003. Su objetivo es evaluar plenamente la eficacia y la idoneidad de los antiprotones para la terapia del cáncer . Los resultados mostraron que los antiprotones necesarios para descomponer las células tumorales eran cuatro veces menos que el número de protones necesarios. El efecto de los antiprotones sobre los tejidos sanos fue significativamente menor. Aunque el experimento finalizó en 2013, aún continúan las investigaciones y validaciones debido a los largos procedimientos para introducir nuevos tratamientos médicos. [21] [22]
El aparato de física con láser de antihidrógeno (ALPHA), el experimento AD-5, está diseñado para atrapar antihidrógeno neutro en una trampa magnética y realizar experimentos con ellos. El objetivo final de este esfuerzo es probar la simetría de CPT mediante la comparación de los espectros atómicos de hidrógeno y antihidrógeno (ver series espectrales de hidrógeno ). [23] La colaboración ALPHA está formada por algunos antiguos miembros de la colaboración ATHENA (el primer grupo en producir antihidrógeno frío, en 2002), así como por varios nuevos miembros.
AEgIS, Experimento de antimateria: gravedad, interferometría, espectroscopia, AD-6, es un experimento en el desacelerador de antiprotones. AEgIS intentaría determinar si la gravedad afecta a la antimateria de la misma manera que afecta a la materia normal probando su efecto en un haz de antihidrógeno . La primera fase del experimento creó antihidrógeno utilizando la reacción de intercambio de carga entre antiprotones del Antiproton Decelerator (AD) y positronio , produciendo un pulso de átomos de antihidrógeno. Estos átomos son enviados a través de una serie de rejillas de difracción , y finalmente golpean una superficie y, por lo tanto, se aniquilan . Los puntos donde se aniquila el antihidrógeno se miden con un detector preciso. Las áreas detrás de las rejillas están sombreadas, mientras que las que están detrás de las rendijas no. Los puntos de aniquilación reproducen un patrón periódico de áreas claras y oscuras. Usando este patrón, se puede medir cuántos átomos de diferentes velocidades se desplazan verticalmente debido a la gravedad durante su vuelo horizontal. Por tanto, se puede determinar la fuerza gravitacional de la Tierra sobre el antihidrógeno. [24]
GBAR (Gravitational Behavior of Anti hidrógeno en reposo), experimento AD-7, es una colaboración multinacional en el Antiproton Decelerator del CERN. El proyecto GBAR tiene como objetivo medir la aceleración en caída libre de átomos neutros de antihidrógeno ultrafríos en el campo gravitacional terrestre . Al medir la aceleración en caída libre del antihidrógeno y compararla con la aceleración del hidrógeno normal, GBAR está probando el principio de equivalencia propuesto por Albert Einstein . El principio de equivalencia dice que la fuerza gravitacional sobre una partícula es independiente de su estructura y composición interna. [25]
BASE (Experimento de Simetría Barión Antibaryon), AD-8, es una colaboración multinacional en el Desacelerador de Antiprotones del CERN.
El objetivo de la colaboración japonesa-alemana BASE [26] son investigaciones de alta precisión de las propiedades fundamentales del antiprotón, es decir, la relación carga-masa y el momento magnético . Los antiprotones individuales se almacenan en un avanzado sistema de trampa Penning , que tiene un sistema de doble trampa en su núcleo, para mediciones de frecuencia de alta precisión y para espectroscopia de inversión de espín de una sola partícula . Al medir la velocidad de giro en función de la frecuencia de un accionamiento magnético aplicado externamente, se obtiene una curva de resonancia. Junto con una medición de la frecuencia del ciclotrón se extrae el momento magnético.
El PUMA (experimento de aniquilación de materia inestable antiprotones), AD-9, tiene como objetivo investigar las interacciones cuánticas y los procesos de aniquilación entre los antiprotones y los exóticos núcleos de movimiento lento . Los objetivos experimentales de PUMA requieren que alrededor de mil millones de antiprotones atrapados fabricados por AD y ELENA sean transportados a la instalación de física nuclear ISOLDE en el CERN, que suministrará los núcleos exóticos. [27] La antimateria nunca antes había sido transportada fuera de las instalaciones de AD. Diseñar y construir una trampa para este transporte es el aspecto más desafiante para la colaboración de PUMA. [28] [29] [27]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace ){{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace ){{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace )46°14′02″N 6°02′47″E / 46.23389°N 6.04639°E / 46.23389; 6.04639