16. Антиводород

    Антиматерия – это расширение основных идей физики античастиц на организацию антивещества. Антиматерия образуется так же, как обычная материя. Однако составляющие её «частицы» являются античастицами по отношению к обычной материи. Так, например, атом антиводорода состоит из антипротона и позитрона подобно тому, как атом водорода состоит из протона и электрона. Интерес к образованию и изучению антиматерии связан с тем, что позволяет проверить справедливость основных положений Стандартная модели, общей теории относительности. Согласно СРТ-инвариантности антиводород должен иметь такую же массу, абсолютную величину магнитного момента, как и обычный атом водорода. Энергетические спектры атомов водорода и антиводорода должны быть полностью идентичны. Атомы антиводорода должны в результате гравитационного взаимодействия с одинаковой силой притягиваться к частицам как материи, так и антиматерии. Однако все эти утверждения, кажущиеся на первый взгляд очевидными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально. Поэтому образование и изучение свойств наиболее простого атома антиматерии – атома антиводорода – происходит в течение длительного времени в нескольких коллаборациях.
    Впервые антиводород был получен в эксперименте, который был проведен в ЦЕРН на накопительном кольце антипротонов LEAR [G. Baur et al, Phys. Lett. B368, 251 (1996)].
    Сфокусированный пучок протонов из протонного синхротрона (PS) с энергией 26 ГэВ падал на цилиндрическую (3×50 мм) иридиевую мишень. Образующиеся в мишени антипротоны с энергией 3.57 ГэВ поступали в накопительное кольцо LEAR (Low Energy Antiproton Ring). Пучок антипротонов накопительного кольца падал на внутреннюю струйную ксеноновую мишень. При взаимодействии антипротона с ядром ксенона происходило образование электрон-позитронной пары, причем позитрон рождался в одном из связанных состояний в поле антипротона. В эксперименте, который длился два месяца, было получено 11 атомов антиводорода с энергией ~ 1 ГэВ. Измеренное сечение процесса образования атомов антиводорода ~ 6×10^-33 см².
    Позже 30 атомов антиводорода были получены в аналогичном опыте в Лаборатории им. Э. Ферми – FermiLab.
    Однако полученные как в ЦЕРНе, так и в Фермилабе атомы антиводорода имели слишком высокие энергии и плохо подходили для исследований их свойств. Проблема в том, что для удержания антипротонов в ловушках, их энергия должна быть порядка десятков кэВ, а для удержания антиатомов – порядка десятков эВ. Таким образом, необходимо было решить задачу замедления антипротонов и получить холодные атомы антиводорода.
    В 2000 г. в ЦЕРН был запущен замедлитель антипротонов AD (Antiproton Decelerator), на котором удалось снизить энергию антипротонов с 3.5 ГэВ до 5.3 МэВ. Образующиеся при облучении протонами протонного синхротрона мишени-конверторе антипротоны с импульсами 3.57 ГэВ/с поступают в AD, где замедляются в три этапа

3.57 → 2.0 → 0.3 → 0.1 ГэВ/с.

    На первом этапе применяется стохастическое охлаждение пучка, на последующих используется электронное охлаждение.
    Стохастическое охлаждение, предложенное Ван дер Меером (1972), основано на введении затухания с помощью систем обратной связи. Измерительные электроды определяют отклонение частицы по какому-либо направлению. Сигнал, пропорциональный этому отклонению, усиливается и через систему обратной связи воздействует на частицу, вызывая затухание колебаний по соответствующему направлению. Например, для уменьшения разброса по импульсам  измеряется радиальное отклонение частиц, которое пропорционально  Сигнал измерительного электрода после усиления подаётся на ускоряющий зазор в момент прихода частицы, ускоряя или затормаживая её.
    Электронное охлаждение – снижение эффективной температуры пучка ионов или протонов, циркулирующих в вакуумной камере ускорителя или накопителя, происходит в результате столкновений с электронами, движущимися вместе с иономами и имеющими меньшую температуру. Г.И. Будкер предложил в 1960 г. использовать электронное охлаждение для уменьшения эмиттанса пучков тяжёлых частиц. Идея метода заключается в следующем. В одном из прямолинейных промежутков вакуумной камеры накопителя, в которой циркулирует пучок тяжёлых частиц, например, протонов, параллельно протонному пучку пропускается интенсивный пучок электронов, имеющих ту же среднюю скорость и малый разброс по импульсам (малую температуру). На общем участке траектории «горячий» газ протонов обменивается энергией с «холодным» электронным газом в результате кулоновских столкновений и охлаждается, это ведёт к уменьшению фазового объёма протонного пучка по всем степеням свободы и пучок  протонов сжимается. Охлаждение продолжается до тех пор, пока температура протонов не станет равной температуре электронного пучка.
    На выходе образуется ~(25-30)×10⁶ антипротонов в коротких (~100-500 нс) импульсах каждые ~100 с. Пучок антипротонов из затем использовался в нескольких экспериментах

• ATHENA,
• ATRAP (Antihydrogen TRAP),
• ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons),
• ACE (Antiproton Cell Experiment),
• ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus),
• AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy).

    В конце 2002 г. коллаборация ATHENAсообщила, что они получили «холодный» антиводород.
    Для того, чтобы получить антиводород необходимо иметь источники антипротонов и позитронов, ловушку для антипротонов, аккумулятор для позитронов и ловушку-смеситель антипротонов и позитронов, в котором происходит образование атомов антиводорода. Обычно в качестве ловушек используются различные модификации ловушки Пеннинга, в которых удержание в радиальном направлении осуществляется с помощью сильного магнитного поля, а в аксиальном – с помощью электрического потенциала приложенного к цилиндрическим электродам. На рис. 16.1 показана схема эксперимента ATHENA (2004 г.).
    Прежде чем попасть в ловушку, антипротоны проходят через алюминиевую фольгу, в которой их энергия уменьшается до энергий ≤ 10 кэВ. Ловушка, в которой поддерживается сверхвысокий вакуум, находится внутри сверхпроводящего магнита, стенки ловушки охлаждены до ~10 К.На рис. 16.1а показано как «ловятся» антипротоны.
    На выходе ловушки устанавливается высокий потенциал, препятствующий вылету антипротонов (рис 16.1б). Когда сгусток антипротонов попадает в ловушку, высокий потенциал устанавливается и на входе ловушки (рис 16.1в). Антипротоны оказываются запертыми в ловушке. На следующем этапе происходит охлаждение антипротонов. Для этого антипротоны смешиваются с электронами, предварительно охлажденными до более низких температур, чем антипротоны. В результате кулоновского рассеяния происходит выравнивание температур антипротонов и электронов, т.е. охлаждение антипротонов (рис. 16.1г).
    Источником позитронов является β⁺-радиоактивный изотоп ²²Na. Однако позитроны, прежде чем попасть в ловушку – аккумулятор позитронов, должны быть замедлены и иметь небольшой разброс по энергии. Замедление осуществляется с помощью N в твердой фазе. Для этого источник позитронов поддерживался при температуре ~5-6 K. После замедления энергия квазимонохроматических позитронов составляет ~2 эВ. При активности источника 40 мКи поток позитронов после замедления составлял ~5×10⁶ c^-1. Так как пучок позитронов непрерывный, метод, который использовался для ловушки антипротонов для ловушки-аккумулятора позитронов неприменим. Позитроны поступают в модифицированную ловушку Пеннинга-Малберга, в которой потенциал и давление газа (N₂) изменяются ступенчато (рис. 16.2). В области I позитроны испытывают неупругие взаимодействия с газом, теряют энергию (А) и не могут вылететь из ловушки, а попадают в область II, а затем и в область III, где и накапливаются.

Рис. 16.1. Упрощенная схема образования холодных антипротонов.

Рис. 16.2.Схема ловушки Пеннинга-Малберга, в которой происходит замедление и накопление позитрония.

Рис. 16.3. Распределение потенциалов в рекомбинационной ловушке, в которой образуются атомы антиводорода.

В то время как антипротоны охлаждаются в первой ловушке, облако позитронов, которое формируется в аккумуляторе позитронов, инжектируется в рекомбинационную ловушку (рис. 16.3).
    Распределение потенциала в рекомбинационной ловушке такое, что позволяет находиться в ней одновременно и антипротонам, и позитронам. В центре – ловушка для позитронов, по бокам – для антипротонов.

Рис. 16.4. Детектор аннигиляции позитронов и антипротонов. Пионы (сплошные линии), образующиеся при p-аннигиляции, 2γ-кванта (пунктирные линии), образующиеся при e⁺e^-‑аннигиляции.

    Когда антипротоны охладятся до нужной температуры, их смесь с электронами также перемещается в рекомбинационную ловушку. Теперь необходимо из ловушки убрать все электроны, с помощью которых происходило охлаждение пучка позитронов. Это необходимо, чтобы в рекомбинационной части ловушки не происходила e⁺e^--аннигиляция. Электроны удаляются с помощью серии быстрых изменений потенциала рекомбинационной ловушки. В результате кулоновского взаимодействия между антипротонами и более холодными позитронами происходит дальнейшее охлаждение антипротонов. При достижении теплового равновесия начинают образовываться атомы антиводорода, которые, будучи нейтральными, не чувствуют магнитных полей ловушки, покидают ловушку и аннигилируют на стенках рекомбинационной ловушки или на остаточном газе. Аннигиляция атомов антиводорода регистрируется детектором (рис. 16.4).
    Детектор окружает вакуумную систему рекомбинационной ловушки и находится внутри канала сверхпроводящего магнита. Детектор регистрирует продукты аннигиляции как антипротона, так и позитрона, которые происходят практически одновременно и в одном месте. В результате аннигиляции антипротона на нуклоне образуется 3–4 заряженных пиона с энергиями
50–900 МэВ. Пионы регистрируются системой из двух слоев кремниевых стриповых детекторов, что позволяет фиксировать две точки на каждой траектории. В каждом слое 16 детекторных модулей. В каждом модуле 128 стрипов с одной стороны (r-φ) и128 с другой (z). Место аннигиляции антипротона определяется пересечением экстраполированных линий, построенных по точкам, полученным с помощью стриповых детекторов. Позитроны фиксируются по аннигиляционным γ‑квантам. Они детектируются 192 сцинтилляционными детекторами CsI, которые расположены в 16 рядов по 12 детекторов в каждом и окружают стриповые детекторы. Индикатором образования антиводорода является регистрация двух гамма-квантов с энергией 511 кэВ в течение ~2 мкс вслед за аннигиляцией антипротона. Прямая линия, соединяющая геометрические центры двух кристаллов CsI, зафиксировавших γ-кванты с энергией 511 кэВ с точностью до ошибок должна проходить через точку, полученную в результате регистрации пионов.
    В результате холодного синтеза было получено ~50000 атомов антиводорода. При этом полное число холодных антипротонов на входе ловушки составляло ~1.5∙10⁶. Полученные результаты не позволяют пока идентифицировать квантовые состояния образующихся атомов антиводорода и могут рассматриваться пока лишь как доказательство возможности образования холодных атомов антиводорода в достаточно большом количестве.