Введение

Проект исследования антиматерии ATHENA, также известный как эксперимент AD 1, был проектом по исследованию антиматерии на Антипротонном замедлителе в ЦЕРНе, Женева. В августе 2002 года он впервые в мире позволил получить 50 000 атомов антиводорода с низкой энергией, о чем было опубликовано в журнале Nature. В 2005 году ATHENA была прекращена, и многие бывшие члены исследовательской группы перешли к работе над последующими экспериментами ALPHA и AEgIS.

Экспериментальная установка

Аппарат ATHENA состоял из четырех основных подсистем: ловушки для захвата антипротонов, позитронного аккумулятора, ловушки для смешивания антипротонов и позитронов и детектора аннигиляции антиводорода. Все ловушки в эксперименте являлись вариациями ловушки Пеннинга, использующей осевое магнитное поле для поперечного удержания заряженных частиц и серию полых цилиндрических электродов для их осевого захвата. Ловушки для захвата и смешивания располагались рядом друг с другом и были коаксиальны с магнитным полем напряженностью 3 Т, создаваемым сверхпроводящим соленоидом. Позитронный аккумулятор имел собственную магнитную систему, также соленоид, с напряженностью поля 0,14 Тесла. Отдельный криогенный теплообменник, расположенный внутри сверхпроводящего магнита, охлаждал ловушки для захвата и смешивания до температуры около 15 К. Аппарат ATHENA отличался открытой модульной конструкцией, обеспечивающей экспериментальную гибкость, в частности, возможность введения большого количества позитронов в аппарат.

Ловушка для ловли

Ловушка замедляла, захватывала, охлаждала и накапливала антипротоны. Для охлаждения антипротонов ловушка сначала загружалась 3 электронами, которые охлаждались за счет синхротронного излучения в магнитном поле 3 Тесла. Обычно AD поставлял 2 антипротона с кинетической энергией 5,3 МэВ и длительностью импульса 200 нс для эксперимента с интервалами в 100 с. Антипротоны замедлялись в тонкой фольге и захватывались импульсным электрическим полем. Антипротоны теряли энергию и приходили в равновесие с холодными электронами посредством кулоновского взаимодействия. Электроны удалялись перед смешиванием антипротонов с позитронами. Каждый импульс AD приводил к получению примерно 3 холодных антипротонов для экспериментов по взаимодействию.

Позитронакумулятор

Позитронный аккумулятор замедлял, захватывал и накапливал позитроны, испускаемые радиоактивным источником (1,4 Бк 22Na). Накопление в течение 300 с давало 1,5 позитрона, 50% которых были переданы в смесительную ловушку, где они охлаждались за счет синхротронного излучения.

Смешивающий ловушка

Смешивающая ловушка имела осевую конфигурацию потенциала вложенной ловушки Пеннинга, что позволяло двум плазмам с противоположными зарядами контактировать друг с другом. В установке ATHENA сфероидальное позитронное облако можно было характеризовать, возбуждая и детектируя осевые плазменные колебания. Типичные условия: 7 захваченных позитронов, радиус 2–2,5 мм, длина 32 мм и максимальная плотность 2,5. Детектор аннигиляции антиводорода был расположен коаксиально с областью смешивания, между внешним радиусом ловушки и отверстием магнита.

Антиводородная аннигиляция

Детектор был разработан для получения однозначных доказательств образования антиводорода путем регистрации временных и пространственных совпадений аннигиляций антипротона и позитрона, когда нейтральный атом антиводорода покидал электромагнитную ловушку и сталкивался с электродами ловушки. Антипротон обычно аннигилирует в несколько заряженных или нейтральных пионов. Заряженные пионы детектировались двумя слоями двусторонних кремниевых микрополосковых детекторов, чувствительных к положению. Траекторию заряженной частицы, проходящей через оба слоя, можно было реконструировать, а наличие двух или более пересекающихся треков позволяло определить положение, или вершину, аннигиляции антипротона. Неопределенность определения вершины составляла около 4 мм и определялась главным образом неизмеренной кривизной траекторий заряженных пионов в магнитном поле. Временное окно совпадения составляло приблизительно 5 микросекунд. Угол обзора области взаимодействия составлял около 80% от 4π. Аннигиляция позитрона с электроном приводит к образованию двух или трех фотонов. Позитронный детектор, состоящий из 16 рядов, каждый из которых содержит 12 сцинтиллирующих кристаллов чистого йодида цезия, был предназначен для регистрации двухфотонных событий, состоящих из двух фотонов с энергией 511 кэВ, которые всегда испускаются в противоположных направлениях. Энергетическое разрешение детектора составляло 18% по полуширине на максимуме при 511 кэВ, а эффективность регистрации фотопика для одиночных фотонов составляла около 20%. Максимальная скорость считывания всего детектора составляла около 40 Гц. В состав дополнительных детекторов входили большие сцинтилляционные пластины, расположенные снаружи магнита, и тонкий кремниевый диод, чувствительный к положению, через который проходил пучок антипротонов перед попаданием в ловушку. Для создания атомов антиводорода позитронная яма в области смешивания заполнялась примерно 7 позитронами и охлаждалась до температуры окружающей среды (15 Кельвинов). Затем вокруг позитронной ямы формировалась многослойная ловушка. Далее, приблизительно 10⁴ антипротонов направлялись в область смешивания путем переключения ловушки из одной потенциальной конфигурации в другую. Время смешивания составляло 190 с, после чего все частицы выводились и процесс повторялся. События, запускающие кремниевый изображающий детектор (три стороны, зафиксировавшие попадание во внешнем слое), инициировали считывание как кремниевых, так и CsI модулей. С помощью этого метода ATHENA впервые смогла создать несколько тысяч холодных атомов антиводорода в 2002 году.