Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 8 (vyšlo 24. února, ročník 1 (2003)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Antiprotonový zpomalovač

Karel Řezáč

Abychom mohli provádět některé experimenty, potřebujeme získat velké množství pomalých antiprotonů. Tyto částice antihmoty dnes získáváme v komplexu nazvaném Antiprotonový zpomalovač, který je vybudován v komplexu laboratoří CERN.

Historie výstavby

Koncem 70. let byl v laboratořích CERN postaven zdroj antiprotonů nazvaný Antiprotonový akumulátor (AA - Antiptroton Accumulator). Jeho úkolem bylo produkovat a nahromadit vysokoenergetické antiprotony. Z důvodu potřeby pomalejších antiprotonů se v laboratořích CERN rozhodli vybudovat nový stroj - Nízkoenergetický antiprotonový prstenec (LEAR - Low Energy Accelerator Ring). Antiprotony nahromaděné v akumulátoru AA byly  zpožděny v Protonovém synchrotonu (PS - Proton Synchrotron) a pak vstříknuty do zařízení LEAR, kde byla dále snížena rychlost. V roce 1986 byl postaven druhý prstenec AC (Antiproton Collector), který byl vybudován kolem existujícího akumulátoru AA za účelem zvýšit desetinásobně produkci antiprotonů. Z kolektoru AC je nyní budován Antiprotonový zpomalovač (AD - Antiproton Decelerator), který vykonává úkoly všech zařízení AC, AA, PS a LEAR. To jest produkovat, sbírat, zpomalit a posléze využít antiprotony k experimentům.

Celý komplex

Antiprotonový zpomalovač podrobněji

Jedná se o prstenec s přibližně kruhovým obvodem délky 188 m. Skládá se z vakuové trubice obklopené dlouhou sekvencí vývěv, magnetů, vysokofrekvenčních dutin, vysokonapěťovými přístroji a elektronickými okruhy. Vakuum musí být optimální, proto jsou vývěvy umístěny kolem trubice. Magnety jsou také umístěny všude kolem. Jsou zde dva typy magnetů: dipóly mění směr pohybu a zajišťují kruhovou dráhu částic. Nazývají se ohýbací magnety. Kvadrupóly jsou užívané jako čočka. Tyto zaostřovací magnety zajišťují, aby rozměr paprsku byl menší než velikost vakuové trubice. Magnetická pole mohou měnit směr a velikost paprsku, ale ne jeho energii. K tomu potřebujeme elektrické pole. To poskytuje vysokofrekvenční dutina. Další přístroje jsou: dva chladicí systémy, jeden injekční a jeden vypouštěcí systém.

AD

Jak vše funguje

Nejdříve musíme antičástice vytvořit. K tomu potřebujeme uvolnit velmi velké množství energie do malého objemu látky. Energie je získána z protonů, které byly předtím zrychleny v synchrotronu PS a následně nastřeleny do kovového terčíku. Používá se měď nebo iridium, hlavně proto, že se snadno chladí.  Po nastřelení dojde k velkému ohřevu terčíku, při kterém se částice hmoty a antihmoty samovolně vytvoří. Asi na jednu srážku z milionu je vytvořen jeden proton-antiprotonový pár. Ve skutečnosti asi 10 trilionů protonů zasáhne cíl jednou za minutu a tak se vytvoří 10 milionů antiprotonů. Podrobnější vysvětlení vzniku antičástic viz CERN Briefing room.

Protože nově vytvořené antiprotony se chovají dosti chaoticky (jejich rychlost je rovna téměř rychlosti světla, ale jejich energie je případ od případu různá - toto se nazývá energetický rozptyl, a nadto letí náhodně křížem krážem), musíme zajistit, aby zůstaly na správné dráze uprostřed prstence a zároveň je zpomalit. Ohýbání a zaostřování se provádí pomocí magnetů. Zpomalení zajišťují silná elektrická pole. Bohužel, snížením rychlosti se zvyšuje jejich příčné kmitání. Pokud neuděláme nic proto, aby se antiprotony vrátily zpět do středu prstence,  jsou ztracené při následné kolizi s vakuovou trubicí. Pro snížení chaotického pohybu se používá dvou metod: stochastické a elektronové chlazení. Stochastické (neboli náhodné) chlazení pracuje nejlépe při velkých rychlostech (kolem rychlosti světla), a elektronové chlazení pracuje lépe při menších rychlostech, cca (10÷30) % c. Nakonec, když rychlost antičástic je asi 10% rychlosti světla, se antiprotony zformují do skupin nazývaných chomáče. Chomáče jsou připraveny k opuštění zařízení. Jeden „brzdící cyklus” zkončil - to vše v jedné minutě.

Pak už jen stačí chomáč antiprotonů ze zařízení přivést k experimentům. To zajišťuje silný „pulzní“ magnet, který v čase kratším než miliontina vteřiny odkloní antiprotony do paprskových trubic výtažní linky. Tam přivádějí další dipólové a kvadrupólové magnety paprsek do jednoho ze tří experimentů.

Kvadrupól

Kvadrupólový magnet

He

Jádro He s  jedním elektronem
a jedním antiprotonem v obalu.
Eperiment ASACUSA

Experimenty

V antiprotonové zpomalovací experimentální hale jsou instalované tři experimenty, ve kterých se využívají chomáče vzniklých antiprotonů:

  • ASACUSA - atomární spektroskopie a srážky využívající pomalé antiprotony,
  • ATHENA - výroba antivodíku a přesné experimenty,
  • ATRAP - využití chladného antivodíku pro precizní laserovou spektroskopii.

Cílem experimentů ATHENA a ATRAP je vyrábět antivodík kombinováním antiprotonů vytvořených ve zpomalovači AD s pozitrony emitovanými radioaktivním zdrojem. Připravené atomy antivodíku jsou udržovány v magnetických pastích (stovky tisíc na jeden cyklus zpomalovače AD). První atomy antivodíku byly vytvořeny v laboratořích CERN (1995) a později v laboratoři FERMILAB (1997). V obou případech byly vytvořeny za letu, to znamená, že se pohybovaly téměř rychlostí světla, to jest příliš rychle na provedení precizních měření vlastností antivodíku. Nynější idea je produkovat pomalé antivodíkové atomy a skladovat je do „pastí”, dovolující extrémně přesné srovnání vlastností vodíku a antivodíku.

Experiment ASACUSA, na druhé straně, bude slučovat „exotické” atomy, ve kterých je elektron v atomárním obalu (například hélia) nahrazený antiprotonem (antiproton má záporný náboj stejně jako elektron). Precizní laserová spektroskopie těchto exotických atomů očekává, že odhalí mnoho informací o chování atomárních systémů.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage