Wie genau wurde CPT

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(No Transcript)
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Wie genau wurde CPT überprüft?
Jede Lorentzinvariante Quantenfeldtheorie
CPT-Invarianz
Die präzisesten CPT Tests
(ee)/e-
(p-p)/p
(K0-K0)/K0
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3. Antiwasserstoff als neues Werkzeug
Wasserstoff - Antiwasserstoffvergleich -
Wasserstoffspektroscopie DE/E 10-13 -
Zwei-Photon Laserspektroscopie - Vergleich
systematische Effekte verschwinden
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(Anti)wasserstoffspektroskopie

• Vergleich mit Wasserstoff erlaubt hochpräzise
  Tests
• Beachtenswerte Fortschritte in 1s-2s Messungen
  (jetzt auf 10-14 Niveau)
• Hyperfeinspaltung, Lamb shift

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Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie?
Keine direkten Messungen CPT Theorem hilft nicht
weiter
CPT-symmetrische Situation
nicht symmetrisch
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Die Herstellung von Antiwasserstoff
Schnelle Antiwasserstoffatome (v c) mit
schnellen Antiprotonen - sehr niedriger
Wirkungsquerschnitt - einfache (parasitische)
Experimente in Speicherringen Langsame
Antiwasserstoffatome (E kT) mit gefangenen
Antiprotonen - Kollisionen mit Positronium
(kompliziert, niedrige Raten) - Kollisionen mit
gespeicherten Positronen !
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Die ersten 9 Antiwasserstoffatome (CERN, 1995)
Prinzip des Experiments PS210
Antiwasserstoffproduktion
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6 nicht so einfache Schritte zur
Antiwasserstoffspektroskopie
1. ANTIPROTONEN
2. VERLANGSAMUNG
3. EINFANG
300,000 km/s
30,000 km/s (10keV)
0.5 km/s (1meV, ? (kT)15K)
4. POSITRONEN
6. VERGLEICH
5. FORMATION
300,000 ? 20 km/s
Laserspektroskopie
0.5 km/s
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Der Antiproton Decelerator (AD) am CERN

• gepulster Strahl
• 3x107 /Puls, alle 100 Sekunden

Antiprotonen 3.5 GeV/c 100 MeV/c
Protonen 26 GeV/c
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Antiprotonproduktion
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Produktion 10 Antiprotonen/Jahr Dies
entspricht 0.1 Nanogramm !!
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Der AD am CERN (2)
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4. ATHENA Apparatur
ATHENA/AD-1 Antiwasserstoff Produktion und
Spektroskopie
Ziele 105 Antiprotonen / 15 min 108
Positronen / 15 min vollständiger
Antiwasserstoffnachweis 1 Hz Formationsrate von
langsamen Antiwasserstoffatomen
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ATHENA Apparatur
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Geladene Teilchen in einer Penningfalle
Beispiel Gefangene Elektronen in B 3 T, E
1 eV, U 10 V 1) Zyklotronbewegung (senkrecht
zu B) f 84 GHz, r 1 µm Emission von
Synchrotronstrahlung Æ Kühlung mit t cool
0.3 s 2) Achsialbewegung (entlang B) f 7 MHz,
d µm cm 3) E x B Drift (Magnetron) f
kHz, r mm
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Einfang von Antiprotonen
Antiprotonen vom AD mit 5300 keV Nach 200 µ
degrader 0-700 keV Antiprotonen lt 10 keV
einfangen Effizienz 0.1 10,000
Antiprotonen in 200 ns bunch Stapeln
erfolgreich getestet
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Wie kühlt man Antiprotonen ?
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Positronenakkumulation (1)
Getrennte Positronenakkumulation (hohe Rate 106
e/sec)
Kontinuierliche Akkumulation
Plasmakompression Rotierende Wand
Moderator Schicht von gefrorenem Ne
Puffergas (N2)
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Antiproton-Positron Mischung
104
104 Antiprotonen werden mit 108 Positronen in
einer Doppelfallenkonfiguration gemischt
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Formationsprozess
e

e
Energie-Impulserhaltung benötigt 3ten Körper
Cold Mixing
Radiativ Dreikörper H
Temperaturabhängikeit T-0.5 T-4.5
? Stabilisierung Endquantenzustand n lt
10 n gtgt 10 Stabilität
(Re-ionizierung) hoch
niedrig erwartete Raten 10s Hz
???
_
Aufheizen der Positronen unterdrückt
Antiwasserstoffproduktion
Hot Mixing
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Antiwasserstoff das Experiment
_
_

• 104 p 108 e für 190 Sek. gemischt
• H annihiliert auf Elektrode
• Aus geladenen Spuren p Vertex rekonst.
• cos(qgg), Öffnungswinkel von zwei 511 keV gs, vom
  Vertex aus, auftragen

_
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Antiwasserstoffdetektor
ENTWURF Kompakt (radiale Ausmasse 3
cm) grosser Raumwinkel (gt 70 ) hohe
Granularität (8K Streifen, 192 Kristalle) Betrieb
bei T 140 K, B 3 Tesla
ZIELE Vertex von geladenen
Spuren Identifikation von 511 keV
Photonen Zeitliche und örtliche Koinzidenz
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Antiwasserstoff Detektor - Entwicklung,
Installation
Tieftemperaturverhalten ? - Lichtausbeute von
reinem CsI ? (50,000 Photonen / MeV _at_ 80 K)
- Expansionskoeffizienten - electronische
Komponenten Alle Probleme in 2001 gelöst
Vollständiger Detektor installiert und in
Betrieb genommen August 2001
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CsI-Spektrum für 511 keV Photonen
192 reine CsI Kristalle mit APD Auslese
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Experimentelle Öffnungswinkelverteilung
_
eine Antiwasserstoffannihilation kann gt zwei
511keV gs erzeugen, die aber nicht alle
nachgewiesen werden (Eff. 20), z.B. ein g aus
Bremsstrahlung von Antiproton-Nucleon?Pion, ein
anderes g von e in Antiwasserstoff, daher kann
es Öffnungswinkel cos(qgg) ? -1 geben
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Erster kalter Antiwasserstoff August 2002
ATHENA
? gt50000 kalte Antiwasserstoffatome
Amoretti et al., Nature 419 (2002) 456
1. Mischen mit RF geheizten e (3000K)
?Antiwasserstoffbildung verhindert
2. Annihilation von Antiprotonen an den
Elektrodenwänden 3. Verschobenes Eg Fenster
Untergrund- messungen
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Analyse der Öffnungswinkelverteilungen
Fit Resultate
Fit Zutaten (MC)
Antiwasserstoff
Untergrund

• Gute Überbereinstimmung zwischen Daten und MC Fit
• Zeigt, dass 2/3 der Einträge von Antiwasserstoff
  stammen (nicht nur das Signal bei cos(qgg) -1 )

cos(qgg)
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Analyse der Vertexverteilungen
XY Vertexverteilung
_
H (MC)
Untergrund (heisse e )
Daten
Fitresultat

_
Radiale Vertexverteilung
p Annihilationen auf den Elektroden
_
Untergrund (heisse e )
Fitresultat
2/3 H 1/3 p-Gas
_
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Anzahl produzierte Antiwasserstoffatome
ATHENA vorläufig
ATRAP
Anzahl Antiatome
ATHENA
Fermilab
LEAR
Jahr
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Zukünftige Entwicklungen
Erhöhung der p-Rate (RFQ-Decelerator) Untersuchun
g des H-Formations-Mechanismus, Abh. von
ne Laser-Stimulierte H-Formation Anreicherung von
Grundzuständen Kühlung von H (121.6 Lyman-?,
Laser) Einfangen von H (Magnetische
Falle) Dann 2s-1s Spektroskopie à la
H Gravitationsexperimente
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Physik mit Antiwasserstoff (1)
Antiwasserstoff einfangen (Ekin lt 0.07 meV)
Aber H Energieverteilung dieses Jahr
Messen p, e Stabilität Multipolfelder?
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_
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Physik mit Antiwasserstoff (2)
1s-2s Spektroskopie von gefangenen Atomen
Antiwasserstoff Zweiphotonlaserspektroskopie
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Physik mit Antiwasserstoff (4)
Laserkühlung Laser-optische Fallen
Gravitationsmessung durch Atomstrahl
(parabolische Flugbahn) atomare Fontänen
Interferometer
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Literatur
M. Amoretti et al., Nature, Vol. 419 (3. Okt.
2003) Vortrag Michael Doser doser.home.cern.ch/do
ser/Badhonnef_final.ppt I.I. Bigi, in Proceedings
of LEAR 2000 Conference, Venice J. Walz et al.,
ibid. C. Wesdorp et al., ibid. G. Gabrielse et
al. Phys. Lett. A 129, No 1 (1988) 38 H. Dehmelt,
Rev. Mod. Phys. Vol. 62, No2 (1990) T. Haensch,
Phys. Bl. 54, No11 (1998) M. Niering et al.,
Phys. Rev. Lett. Vol. 84, No 24 (2000) M.
Amoretti et al., The ATHENA antihydrogen
apparatus, NIM, to be published