Test des CPT-Theorems mit Antiwasserstoff

Test des CPT-Theorems mit
Antiwasserstoff
Seminar Präzisionsexperimente
Benjamin Daiber 8.11.2013
Betreuung: Prof. S. Menzemer
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Übersicht
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Theorie
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Was ist CPT?
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CPT-Theorem
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Auswirkungen auf die Physik
Test mit Antiwasserstoff
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Erzeugung von Antiwasserstoff
–
–
Antiprotonen
Positronen
●
Detektion
●
Messung der schweren Masse
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Was bedeutet CPT?
Operatoren:
●
C: Austausch von
Partikel-Antipartikel
●
P: Parität
●
T: Zeitumkehr
●
Richtung der Reaktion
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CPT-Theorem
●
Bedeutung: Physik invariant unter CPT
Transformation
●
Standardmodell beinhaltet CPT-Invarianz
●
Grundlage jeder Quantenfeldtheorie
●
Verletzung ist Hinweis auf neue Physik z.B.
Stringtheorien
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Aussagen CPT-Theorem
●
●
●
●
Gleiche träge Massen
Gleiche Lebensdauer
von Zerfällen
Ladungsgleichheit
Gleiche
Energieniveaus
Teilchen ↔ Antiteilchen?
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Warum Präzisionsmessung?
●
Genauigkeit:
●
Für Paritätsverletzung:
●
Für CP-Verletzung:
●
Im Moment, CPT:
●
Laserspektroskopie der HFS:
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Warum Antiwasserstoff?
CPT-Invarianz
●
Direkte Vermessung
der HFS möglich
●
Gleiche Systeme
●
Direkte Messung
Schwere Masse
●
●
●
Test der ART
Fällt Anti-H nach
oben?
Test bei neutralen
Atomen deutlich
präziser
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Experiment: ALPHA
●
Geschichte am CERN:
●
1995: neun(!) Antiwasserstoff
●
2002: ATHENA kaltes Antiwasserstoff
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Antiwasserstoff in ALPHA
●
Ziel des Versuchs:
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Langsame Anti-Protonen (200K) mit langsamen
Positronen (40K)
-> langsames Antiwasserstoff (<0,5K)
●
●
Lange Speicherung (16min)
●
möglichst viele Anti-H (400)
Kompletter Aufbau:
●
Kryogene Temperaturen (7,5K)
●
Evakuiert mit (10-10-10-13)mbar
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Experimentelles Vorgehen
1.Erzeugung kalter Antiprotonen
2.Zwischenspeicherung und Kühlung im
Experiment
3.Erzeugung kalter Positronen
4.Beförderung beider in Experimentiervolumen
5.Interaktion zu Antiwasserstoff
6.Ausschalten der Magneten zur Detektion
7.Detektion durch Lagen von Szintillatoren
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Überblick
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13
Antiprotonen Erzeugung
1.Erzeugung durch Protonen auf Target
2.Resultat: 3,5 GeV (40TK) Antiprotonen
3.Veringerung der Emittanz des Strahls
4.Abbremsung durch den Beschleuniger
5.Resultat : 30Mio bei 5,3MeV = 60 GK
6.Beförderung in Experiment durch Kicker
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Verringerung der Emittanz der
Antiprotonen
Stochastische Kühlung:
●
Nobelpreis für van der Meer 1984
●
Detektion von Abweichung der Kreisbahn
●
Ändern der Flugbahn eines Paketes durch
el. Feld
●
Beförderung in die Mitte
●
Strahl wird dünner
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Verringerung der Emittanz der
Antiprotonen
Elektronenkühlung
●
Einschiessen von gleich schnellen Elektronen
●
Sehr schmale Energieverteilung
●
Schnellere Protonen geben Impuls ab
●
Abtrennen der Elektronen
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Zeitlicher Verlauf
30Mio Antiprotonen bei 5,3MeV
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Antiproton Decellerator
d=60m
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Speicherung: Penning Falle
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Weitere Kühlung
1.Abbremsung durch
Aluminium Folie
2.Fangen von 0,1% in
einer 3T Penning
Falle
3.Kühlung durch Stöße
mit Elektronen
4.Elektronen werden
synchrotrongekühlt
5.Evaporative Cooling
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Malmberg-Penning Falle
Vorteil: Einfaches Einschiessen der Teilchen
●Potentialtiefe einstellbar (3,4keV)
●Es bleiben 30000 Antiprotonen bei 1000K
●
3,4 kV
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Evaporative Cooling
Es bleiben 3000 Antiprotonen bei 9K
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Erzeugung der Positronen
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1.Zerfall von Na
2.Abkühlung durch Stöße mit Stickstoff
3.Sammeln in Penning Falle
4.Kühlung durch Synchrotronstrahlung
5.Beförderung über 2m in Experiment
6.Wieder Kühlung durch Synchrotronstrahlung
7.Evaporative Cooling
-> 2 Millionen Teilchen bei 10-40K
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Zusammenführung
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3000 Anti-P.
●
ca. 2 Mio. e+
●
Beide 10K
●
●
●
Langsam, durch
el. Wechselfelder
1s Interaktion
Entfernung der
Überreste
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Speicherung
25
Speicherung von Antiwasserstoff
●
Penning Falle nur für geladene Atome!
●
Starke Magnetfelder nötig (2T)
●
Nur 0,54K Potentialtiefe
●
Kraft auf Anti-H:
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Detail
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Detektion des Antiwasserstoffs
●
●
●
●
Quenchen des
Magnetfelds
Annihilation am
Rand
3 Lagen
Szintillatoren
Filtern der
kosmische
Myonen zu
99.5%
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War das wirklich Antiwasserstoff?
Antiwasserstoff
Antiprotonen
Theorie:
Feld nach links
Kein Feld
Feld nach rechts
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Schwere vs. Träge Masse
●
Gravitationskraft:
●
Newton:
●
Aus FN=FG folgt:
In Materie:
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Test der schweren Masse
1.Quenchen des
Magneten τ=9ms
2.Magnetfeld
verschwindet
3.Messung der
Verteilung der
Annihilationen
F=100
Magnetfeld+Gravitation
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Ergebnis
434 Antiwasserstoff:
rot=Messung
grün=Simulation(F=100) Linien=Durchschnitt
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Ergebnis: y-Position gegen Theorie
95%
t
rot=y (vertikal)
grün= x (horiz.)
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Mittlere y-Position
rot=y (vertikal)
grün= x (horiz.)
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Mittlere y-Position
rot=y (vertikal)
grün= x (horiz.)
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Ergebnis:
Durch Anwendung genauer stat. Methoden:
●
F<75 (darüber nur 5% Wahrscheinlichkeit)
●
F<110 mit großen systematischen Fehlern
Eigentlich Interessant: F=1 oder F=-1
Deutlich mehr Teilchen
notwendig!
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Ausblick
●
Lange Speicherung
●
Mehr Teilchen
●
Kältere Ausgangsmaterialien
●
●
●
Laserkühlung
Schwere Masse genauer messen
●
Systematische Fehler ausmerzen
●
Bessere Statistik
Laserspektroskopie der HFS
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Fragen?
38
Surko Type Accumulator
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Magnetfeld
40
Speicherung
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Rotating Wall Technik
42
Statistik
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