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 un sucesor del Anillo de Antiprotones de Baja Energía (LEAR) y comenzó a funcionar en el año 2000. Los antiprotones se crean al hacer 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 se expulsan a uno de varios experimentos conectados.
Los principales objetivos de los experimentos en AD son observar espectroscópicamente el antihidrógeno y estudiar los efectos de la gravedad sobre la antimateria. Sin embargo, cada experimento en AD tiene objetivos diferentes, que van desde probar la antimateria para la terapia contra el cáncer hasta la simetría CPT y la investigación sobre la antigravedad .
Entre 1982 y 1996, el CERN operó el Anillo de Antiprotones de Baja Energía (LEAR, por sus siglas en inglés) , a través del cual se llevaron a cabo varios experimentos con antiprotones de movimiento lento. Durante las etapas finales del LEAR, la comunidad de físicos involucrada en esos experimentos de antimateria quería continuar sus estudios con los antiprotones lentos. La motivación para construir el AD surgió del Taller sobre Antihidrógeno celebrado en Múnich 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 Sincrotrón de Protones (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 desaceleradora de antiprotones. La AD fue aprobada en febrero de 1997. [5] [6]
Durante los tres años siguientes se llevaron a cabo la modificación del AC, la instalación del AD y el proceso de puesta en servicio. A finales de 1999, el anillo de AC se modificó para convertirse en un desacelerador y un sistema de refrigeración, lo que formó el Desacelerador Antiprotón. [3] [7]
El perímetro ovalado del AD tiene cuatro secciones rectas donde se ubican los sistemas de desaceleración y enfriamiento. En estas secciones hay varios imanes dipolares y cuadrupolos para evitar la dispersión del haz . Los antiprotones se enfrían y desaceleran en un solo ciclo de 100 segundos en el sincrotrón AD. [3]
El AD requiere unos protones con un momento de 26 GeV/c para producir antiprotones por minuto. Los protones de alta energía que provienen del sincrotrón de protones se hacen colisionar con una varilla delgada y muy densa de metal de 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 una gran cantidad de partículas energéticas, incluidos los antiprotones. Una lente magnética bicónica de aluminio tipo bocina recoge los antiprotones que emergen del objetivo. Este colector absorbe laAntiprotones de 3,5 GeV/c , que se separan de otras partículas mediante deflexión a través de fuerzas electromagnéticas. [3] [4]
_Hall.jpg/1280px-Experimental_area_at_CERNs_Antiproton_Decelerator_(AD)_Hall.jpg)
Los sistemas de radiofrecuencia (RF) desaceleran y agrupan los antiprotones enfriados a 3,5 GeV/c. Numerosos imanes en el interior concentran los antiprotones en movimiento aleatorio en 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 las distorsiones significativas del haz de antiprotones. El enfriamiento estocástico se aplica a los antiprotones a 3,5 GeV/c y luego a 2 GeV/c, seguido por el 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 (3 a 5 KeV). Por lo tanto, los antiprotones se desaceleran nuevamente a ~5 KeV, utilizando las láminas degradantes. Este paso representa la pérdida del 99,9% de los antiprotones. Los antiprotones recolectados se almacenan luego temporalmente en las trampas de Penning ; antes de ser alimentados a los diversos experimentos de AD. Las trampas de Penning también pueden formar antihidrógeno combinando antiprotones con los 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 por ELENA el 18 de noviembre de 2016. [12] GBAR fue el primer experimento en utilizar un haz de ELENA, y el resto de experimentos AD seguirán su ejemplo después de LS2, cuando se hayan tendido líneas de transferencia de haz de ELENA a todos los experimentos que utilizan la instalación. [13]
ATHENA , el experimento AD-1, fue un proyecto de investigación de antimateria que se llevó a cabo en el Desacelerador de Antiprotones. En agosto de 2002, fue el primer experimento en producir 50.000 átomos de antihidrógeno de baja energía , como se informó en Nature . [14] [15] En 2005, ATHENA se disolvió y muchos de los antiguos miembros trabajaron en el posterior experimento ALPHA.
La colaboración Trampa de Antihidrógeno (ATRAP), responsable del experimento AD-2, es una continuación de la colaboración TRAP , que comenzó a recopilar datos para el experimento PS196 en 1985. [16] [17] El experimento TRAP (PS196) fue pionero en los antiprotones fríos , positrones fríos y fue el primero en lograr que los componentes del antihidrógeno frío interactuaran. Más tarde, los miembros de ATRAP fueron pioneros en la espectroscopia de hidrógeno precisa y observaron los primeros átomos de antihidrógeno calientes.
Atomic Spectroscopy and Collisions Using Slow Antiprotons (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 estudia las colisiones materia-antimateria. [18] [19] También mide las secciones transversales atómicas y nucleares de antiprotones en varios objetivos a energías extremadamente bajas. [20]
El experimento de células antiprotón (ACE), AD-4, comenzó en 2003. Su objetivo era evaluar completamente la eficacia y la idoneidad de los antiprotones para la terapia contra el cáncer . Los resultados mostraron que los antiprotones necesarios para descomponer las células tumorales eran cuatro veces menores que la cantidad de protones necesarios. El efecto sobre los tejidos sanos debido a los antiprotones fue significativamente menor. Aunque el experimento finalizó en 2013, aún continúan las investigaciones y la validación, debido a los largos procedimientos necesarios para introducir nuevos tratamientos médicos. [21] [22]
El Aparato de Física Láser 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 CPT a través de la comparación de los espectros atómicos de hidrógeno y antihidrógeno (ver serie espectral 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 varios miembros nuevos.
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 Desacelerador de Antiprotones (AD) y positronio , produciendo un pulso de átomos de antihidrógeno. Estos átomos son enviados a través de una serie de rejillas de difracción , finalmente golpeando una superficie y aniquilándose . Los puntos donde el antihidrógeno se aniquila se miden con un detector preciso. Las áreas detrás de las rejillas están sombreadas, mientras que las detrás de las rendijas no. Los puntos de aniquilación reproducen un patrón periódico de áreas claras y sombreadas. Usando este patrón, se puede medir cuántos átomos de diferentes velocidades son desplazados verticalmente debido a la gravedad durante su vuelo horizontal. Por lo tanto, se puede determinar la fuerza gravitacional de la Tierra sobre el antihidrógeno. [24]
El experimento GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest), AD-7, es una colaboración multinacional en el Desacelerador de Antiprotones del CERN. El proyecto GBAR tiene como objetivo medir la aceleración en caída libre de átomos de antihidrógeno neutros 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 poniendo a prueba 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 internas. [25]
BASE (Experimento de simetría barión-antibarión), 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, a saber, la relación carga-masa y el momento magnético . Los antiprotones individuales se almacenan en un sistema avanzado de trampa de 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 partículas individuales . Al medir la tasa de inversión de espín en función de la frecuencia de un impulso magnético aplicado externamente, se obtiene una curva de resonancia. Junto con una medición de la frecuencia del ciclotrón, se extrae el momento magnético.
El experimento PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation experiment), AD-9, tiene como objetivo estudiar las interacciones cuánticas y los procesos de aniquilación entre los antiprotones y los núcleos exóticos 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 ha sido transportada fuera de la instalación de AD antes. El diseño y la construcción de una trampa para este transporte es el aspecto más desafiante para la colaboración PUMA. [28] [29] [27]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace ){{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ){{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )46°14′02″N 6°02′47″E / 46.23389°N 6.04639°E / 46.23389; 6.04639