Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Антиматерияны зерттеу жобасы
Antimatter research project
ATHENA, сондай-ақ АД 1 эксперименті ретінде белгілі, Женевадағы ЦЕРН-дегі антипротон тежегішіндегі антиматерияны зерттеу жобасы болды. 2002 жылдың тамызында Nature журналында хабарланғандай, ол 50 000 төмен энергиялы антисутек атомдарын жасаған алғашқы эксперимент болды. 2005 жылы ATHENA таратылды, ал зерттеу тобының көптеген бұрынғы мүшелері кейін ALPHA эксперименті мен AEgIS экспериментіне қатысты.
ATHENA, also known as the AD 1 experiment, was an antimatter research project at the Antiproton Decelerator at CERN, Geneva. In August 2002, it was the first experiment to produce 50,000 low energy antihydrogen atoms, as reported in Nature. In 2005, ATHENA was disbanded and many of the former members of the research team worked on the subsequent ALPHA experiment and AEgIS experiment.
Эксперименттік қондырғы
ATHENA аппараты төрт негізгі жүйеден құралды: антипротонды ұстау тұзағы, позитрон аккумуляторы, антипротонды/позитронды араластыру тұзағы және антисутек жою детекторы. Эксперименттегі барлық тұзақтар Пэннинг тұзағының модификациялары болды, ол зарядталған бөлшектерді көлденең бағытта шектеу үшін осьтік магнит өрісін және оларды ось бойында ұстау үшін қуыс цилиндрлі электродтардың тізбегін пайдаланды. Ұстау және араластыру тұзақтары бірімен-бірі қабысып, 3 Т магнит өрісі бар суперөткізгіш соленоидтың осьтік бағытында орналасты. Позитрон аккумуляторының өз магниттік жүйесі болды, ол да соленоид, ал өріс күші 0,14 Тесланы құрады. Суперөткізгіш магниттің ішкі кеңістігінде орналасқан жеке криогендік жылу алмастырғыш ұстау және араластыру тұзақтарын шамамен 15 К-қа дейін салқындатты. ATHENA аппараты ашық, модульдік конструкцияға ие болды, бұл эксперименттік икемділікті қамтамасыз етті, әсіресе аппаратқа көптеген позитрондарды енгізу мүмкіндігін ұсынды.
The ATHENA apparatus comprised four main subsystems: the antiproton catching trap, the positron accumulator, the antiproton/positron mixing trap, and the antihydrogen annihilation detector. All traps in the experiment were variations of the Penning trap, which uses an axial magnetic field to transversely confine the charged particles, and a series of hollow cylindrical electrodes to trap them axially. The catching and mixing traps were adjacent to each other, and coaxial with a 3 T magnetic field from a superconducting solenoid. The positron accumulator had its own magnetic system, also a solenoid, with a field strength of 0.14 Tesla. A separate cryogenic heat exchanger in the bore of the superconducting magnet cooled the catching and mixing traps to about 15 K. The ATHENA apparatus featured an open, modular design that allowed experimental flexibility, particularly in introducing large numbers of positrons into the apparatus.
Тұзаққа түсіру
Тұтқырлық баяулатып, тұтқындап, суытып, антипротон жинады. Антипротонды суыту үшін тұтқыр 3 электронмен толтырылды, олар 3 Тесла магнит өрісінде синхротрон сәулеленуі арқылы суытылды. Әдетте, АД экспериментке 5,3 МеВ кинетикалық энергиясы және 200 нс импульс ұзақтығы бар 2 антипротонды 100 секунд сайын жеткізеді. Антипротон жұқа фольгада баяулатылып, импульсті электр өрісі арқылы тұтқынға алынды. Антипротон энергиясын жоғалтып, Кулондық әрекеттесу арқылы суық электрондармен тепе-теңдікке келді. Антипротонды позитронмен араластыру алдында электрондар шығарылды. Әрбір АД атуы өзара әрекеттесу эксперименттері үшін шамамен 3 суық антипротонға әкелді.
The catching trap slowed, trapped, cooled, and accumulated antiprotons. To cool antiprotons, the catching trap was first loaded with 3 electrons, which cooled by synchrotron radiation in the 3 Tesla magnetic field. Typically, the AD delivered 2 antiprotons having kinetic energy 5.3 MeV and a pulse duration of 200 ns to the experiment at 100 s intervals. The antiprotons were slowed in a thin foil and trapped using a pulsed electric field. The antiprotons lost energy and equilibrated with the cold electrons by Coulomb interaction. The electrons were ejected before mixing the antiprotons with positrons. Each AD shot resulted in about 3 cold antiprotons for interaction experiments.
Позитрондар жинағышы
Позитрон жинақтағышы радиоактивті көзден (1,4 Бк 22Na) шығарылған позитрондарды баяулатып, тұтқындап, жинақтады. 300 секунд бойы жинақтау 1,5 позитронға әкелді, олардың 50% синхротрон сәулеленуімен салқындатылған араластыру тұзағына жіберілді.
The positron accumulator slowed, trapped and accumulated positrons emitted from a radioactive source (1.4 Bq 22Na). Accumulation for 300 s yields 1.5 positrons, 50% of which were transferred to the mixing trap, where they cooled by synchrotron radiation.
Араластыру тұмсығы
Араластыру тұзағы ішкі орналасқан Пэннинг тұзағының осьтік потенциалдық конфигурациясына ие болды, бұл қарама-қарсы зарядталған екі плазманың жанасуына мүмкіндік берді. ATHENA-да сфералық позитрон бұлтын осьтік плазма тербелістерін тудыру және анықтау арқылы сипаттауға болады. Типикалық жағдайлар: 7 сақталған позитрон, 2–2,5 мм радиус, 32 мм ұзындық және 2,5 ең жоғарғы тығыздық. Антигидрогенді жою детекторы араластыру аймағымен коаксиалды түрде, тұзақтың сыртқы радиусы мен магнит осінің арасында орналастырылған.
The mixing trap had the axial potential configuration of a nested Penning trap, which permitted two plasmas of opposite charge to come into contact. In ATHENA, the spheroidal positron cloud could be characterized by exciting and detecting axial plasma oscillations. Typical conditions were: 7 stored positrons, a radius of 2 – 2.5 mm, a length of 32 mm, and a maximum density of 2.5. An antihydrogen annihilation detector was situated coaxially with the mixing region, between the trap outer radius and the magnet bore.
Антигидрогеннің жойылуын анықтау
Детектор антиводородтың пайда болуын нақты анықтау үшін антипротон мен позитронның уақыт және кеңістік бойынша сәйкес келетін жойылуын тіркеуге арналған. Нейтралды антиводород атомы электромагниттік тұзақтан шығып, тұзақ электродтарына тиген кезде мұндай жойылу орын алады. Антипротон әдетте бірнеше зарядталған немесе бейтарап пиондарға ыдырайды. Зарядталған пиондар екі қабаттан тұратын, екі жақты, позицияны сезгіш кремний микрожолақтары арқылы анықталды. Екі қабаттан өтетін зарядталған бөлшектің жолы қалпына келтіріледі, ал екі немесе одан көп қиылысатын іздер антипротонның жойылу орнын (вертексін) анықтауға мүмкіндік берді. Вертекс анықтаудағы қателік шамамен 4 мм құрады және бұл, негізінен, зарядталған пиондардың магнит өрісіндегі траекториясының өлшенбеген қисықтығымен байланысты. Уақытша сәйкес келу терезесі шамамен 5 микросекунд болды. Өзара әрекеттесу аймағының кеңістіктік бұрышы 4π-тің шамамен 80% құрады. Позитрон электронмен жойылғанда екі-үш фотон пайда болады. Позитрон детекторы, 12 кристалдан тұратын 16 қатардан құралған, таза цезий йодид кристалдарынан жасалған, әрқашан бір-біріне қарама-қарсы шығатын екі 511 кэВ фотонынан тұратын екі фотондық оқиғаларды тіркеуге арналған. Детектордың энергиялық ажыратымдылығы 511 кэВ кезінде толық енінің жартысы бойынша 18% құрады, ал жеке фотондар үшін фотопик анықтау тиімділігі шамамен 20% болды. Детектордың ең жоғары оқу жылдамдығы шамамен 40 Гц құрады. Қосымша детекторларға магниттің сыртында орналасқан үлкен сцинтилляторлық панельдер және антипротондық шоқ тұзаққа кірмес бұрын өтетін позицияны сезгіш кремний диоды кірді. Антиводород атомдарын жасау үшін араластыру аймағындағы позитрон ұңғымасы шамамен 7 позитронмен толтырылды және қоршаған орта температурасына дейін (15 Кельвин) салқындатылды. Содан кейін позитрон ұңғымасының айналасында ішкі тұзақ құрылды. Келесі қадамда, шамамен 10⁴ антипротон тұзақтың бір күйден екінші күйге ауысуы арқылы араластыру аймағына жіберілді. Араластыру уақыты 190 секундты құрады, одан кейін барлық бөлшектер шығарылып, процесс қайталанды. Сыртқы қабатта үш жағы тиген оқиғалар кремний детекторын іске қосып, кремний және CsI модульдерінің деректерін оқуды бастады. Осы әдіс арқылы ATHENA 2002 жылы алғаш рет бірнеше мың суық антиводород атомдарын жасауға қол жеткізді.
The detector was designed to provide unambiguous evidence for antihydrogen production by detecting the temporally and spatially coincident annihilations of the antiproton and positron when a neutral antihydrogen atom escaped the electromagnetic trap and struck the trap electrodes. An antiproton typically annihilates into a few charged or neutral pions. The charged pions were detected by two layers of double sided, position sensitive, silicon microstrips. The path of a charged particle passing through both layers could be reconstructed, and two or more intersecting tracks allowed determination of the position, or vertex, of the antiproton annihilation. The uncertainty in vertex determination was approximately 4 mm and is dominated by the unmeasured curvature of the charged pions' trajectories in the magnetic field. The temporal coincidence window was approximately 5 microseconds. The solid angle coverage of the interaction region was about 80% of 4π. A positron annihilating with an electron yields two or three photons. The positron detector, comprising 16 rows each containing 12 scintillating, pure cesium iodide crystals, was designed to detect the two photon events, consisting of two 511 keV photons which are always emitted back to back. The energy resolution of the detector was 18% full width half maximum at 511 keV, and the photo peak detection efficiency for single photons was about 20%. The maximum readout rate of the whole detector was about 40 Hz. Ancillary detectors included large scintillator paddles external to the magnet, and a thin, position sensitive, silicon diode through which the incident antiproton beam passed before entering the catching trap. To produce antihydrogen atoms, a positron well in the mixing region was filled with about 7 positrons and allowed to cool to the ambient temperature (15 kelvin). The nested trap was then formed around the positron well. Next, approximately 104 antiprotons were launched into the mixing region by pulsing the trap from one potential configuration to another. The mixing time is 190 s, after which all particles were dumped and the process repeated. Events triggering the imaging silicon detector (three sides hit in the outer layer) initiated readout of both the silicon and the CsI modules. Using this method, ATHENA could produce – for the first time – several thousands of cold antihydrogen atoms in 2002.