ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per

annuncio pubblicitario
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
Rapp. Naz.: Gemma Testera
Rappresentante nazionale:
Struttura di appartenenza:
Posizione nell'I.N.F.N.:
Gemma Testera
GE
INFORMAZIONI GENERALI
STUDIO DELLE PROBLEMATICHE LEGATE RAFFREDDAMENTO E CONFINAMENTO DI ATOMI DI
ANTIDROGENO
Linea di ricerca
FIRENZE
GENOVA
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
ATHENA2−RD
Sigla dello
esperimento
assegnata
dal laboratorio
/
Acceleratore usato
/
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
VERIFICA DEL PRINCIPIO DI EQUIVALENZA PER ATOMI DI ANTIMATERIA
Processo fisico
studiato
SORGENTI DI IDROGENO,LASERS,TRAPPOLE ELTTROMAGNETICHE,PLASMI CARICHI NON NEUTRI.
Apparato
strumentale
utilizzato
FIRENZE
Sezioni partecipanti GENOVA
all'esperimento
/
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
5 ANNI
Durata esperimento
Mod EC. 1
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
FI
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Guglielmo Tino
Gruppo
2
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
di cui SJ
Missioni Bologna−Firenze
Missioni Trento−Firenze
Missioni Firenze−Genova
Missioni presso ditte e altri laboratori
2,0
2,0
3,0
2,0
9,0
Missioni al CERN
Missioni al MPQ di Monaco
Missioni presso ditte, partecipazione a meetings e workshops
Inviti ospiti
4,0
3,0
4,0
5,0
16,0
Componenti ottici
Componenti elettronici
Materiale da vuoto
Materiali speciali (acciai speciali, magneti, mu−metal)
Spese di allestimento laboratorio e funzionamento
10,0
5,0
10,0
5,0
15,0
45,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
180,0
80,0
80,0
Sorgenti Laser per produzione Ly−alpha: n.2 Ar+
Sorgenti laser per produzione Ly−alpha:laser Ti:Sa ad anello
Sorgenti laser per produzione Ly−alpha:laser dye ad anello
n. 4 Oscilloscopi
n. 4 Alimentatori
n. 4 Laser a semiconduttore
Strumentazione ottica ed elettronica per laboratorio
10,0
10,0
10,0
20,0
Sistema fascio atomico con criostato
Sistema di duplicazione in frequenza
80,0
60,0
390,0 340,0
140,0
Totale
di cui SJ
600,0 340,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Gemma Testera
Gruppo
2
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
viaggi a Firenze, Trento, contatti con ditte
di cui SJ
4,0
4,0
contatti con CERN e Zurigo
10,0
10,0
16,0
5,0
7,5
5,0
elio per magnete SC
elio per criostato azoto
realizzazione circuiti stampati, componenti elettronica e accessori
accessori vuoto
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
33,5
Altro
Generatore RF con uscite sfasate di 90 gradi per rotating wall
Analizzatore di gas residuo Stanford
Alimentatore 100 V DC
10,0
10,0
5,0
modifiche meccaniche criostato
realizzazione trappola nested
modifiche apparato per caricamento e confinamento di protoni
tubo transfer elio
magneti permanenti per struttura a esapolo
10,0
2,0
3,0
5,5
25,0
35,5
15,0
108,0
di cui SJ
15,0
15,0
Totale
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
FI
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Guglielmo Tino
Gruppo
2
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
FI
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Guglielmo Tino
Gruppo
2
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2004
Struttura
FI
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Guglielmo Tino
Gruppo
2
ALLEGATO MODELLO EC2
Le richieste finanziarie per il 2004 riguardano principalmente le seguenti attivita':
1) Costruzione di un sistema di fascio atomico raffreddato con criostato;
2) Allestimento del laboratorio e acquisizione della strumentazione di base necessaria;
3) Acquisizione delle sorgenti laser per la generazione di radiazione Ly−alpha. La richiesta e'
proposta come sub−judice in quanto l'avvio della costruzione del sistema, alquanto costoso, sara'
subordinato ad una attenta valutazione di diverse strategie sperimentali e possibili schemi
alternativi. I costi indicati nel seguito si riferiscono ad un sistema gia' realizzato in un altro
laboratorio:
un argon di potenza pompa un Ti:Sa per produrre 1.2 W a 799 nm,
e un dye (rhodamina 110) per produrre ~0.5W da 543 a 584 nm.
Un secondo argon emette 2.2W sulla linea a 514.5 nm.
La radiazione a 514.5 nm e a 799 vengono duplicate (BBO e LBO) a
0.8W a 257nm e 0.3W a 399 nm.
Su ciascuno dei tre fasci (257, 399 e 5xx nm) ci sono ottiche per il
mode matching e la pulizia dei fasci (specchi dicroici, telescopi,
pinholes, compensazione astigmatismo, movimenti motorizzati per la
sovrapposizione dei fuochi)
La Ly−alpha viene prodotta in una heatpipe con vapori di Hg
e inviata in un sistema da vuoto dotato di ottiche VUV (filtri) e una turbo per il vuoto.
Il sistema comprende anche quanto necessario per la rivelazione e la diagnostica.
Sorgenti laser:
Ar+ di pompa 15 W (innova Sabre) 100keu
Laser Ti:Sa (Coherent 899) 80keu
Laser Dye (Coherent 699) 80keu
Laser Ar+ (Spectra Physics 2030) 80keu
Lavori elettrici al lab. 5keu
−−−−−−−−
345keu
Duplicazioni Ar+ e Ti:Sa:
(cristallo, ottiche, cavita' 2x30keu
elettr. di aggancio) −−−−−−−−
60keu
Beam shaping:
(dicroici, lenti, pinholes, 3x5keu
specchi motorizzati) −−−−−−−−
15keu
Heatpipe+camera da vuoto:
Costruzione 15keu
Ottiche VUV (lente, filtri) 10keu
Elettronica 5keu
Pompaggio 7keu
−−−−−−−−
32keu
Rivelazione:
(solar blind PMT, photon counter, APD, 12keu
elettronica, acquisizione) −−−−−−−−
12keu
Diagnostica:
(Power meter, wavemeter,
elettr. consumo 30keu
−−−−−−−−
30keu
Totale Ly−a
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2004
Struttura
FI
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Guglielmo Tino
ALLEGATO MODELLO EC2
Gruppo
2
lpha: 494 keu
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Gemma Testera
Gruppo
2
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Gemma Testera
Gruppo
2
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
Rapp. Naz.: Gemma Testera
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
A CARICO DELL' I.N.F.N.
Struttura
Missioni
interne
Materiale
di
consumo
Missioni
estere
SJ
SJ
SJ
Trasporti
e
facchinaggi
SJ
Spese
di
calcolo
Affitti
e
Materiale Costruzione
manutenzioneinventariabile apparati
SJ
SJ
SJ
FI
9,0
16,0
45,0
50,0 340,0 140,0
TOTALI
9,0
16,0
45,0
50,0 340,0 140,0
A
carico
di altri
Enti
TOTALE
Compet.
SJ
SJ
260,0
340,0
260,0 340,0
NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente
Mod EC./EN. 4
(a cura del responsabile nazionale)
0,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
Rapp. Naz.: Gemma Testera
A) ATTIVITA' SVOLTA FINO A GIUGNO 2004
Il finanziamento assegnato nel 2004 dalla commissione 2 ha permesso di iniziare l'attivita' sperimentale a Genova. L'obiettivo e' quello di
studiare sperimentalmente configurazioni di campi elettromagnetici in cui si possano confinare contemporaneamente
positroni, antiprotoni e antidrogeno per un intervallo di tempo dell’ordine dei secondi
o decine di secondi.
L’apparato sperimentale, che e’ attualmente in fase di montaggio nei laboratori INFN di Genova, e’ descritto nel documento chiamato
addendum 1 gia’ consegnato alla commissione a gennaio 2004 (e che e’allegato alla presente).
Il gradiente di campo magnetico necessario al confinamneto di antidrogeno viene realizzato per mezzo di magneti permanenti. La prima
geometria che abbiamo deciso di studiare e’ un dodecapolo: questa e’ finanziata dal gruppo CERN (circa 20 KEuro) e verra’ consegnata
entro il 2004. Prevediamo di confrontare i risultati con un’altra geometria con un ordine di multiplo piu’ basso (che a parita’ di dimensioni
permette
di realizzare profondita’ di buca maggiori): la richiesta di 20 KEuro presente sui moduli per l'acquisto di un esapolo si riferisce a questo.
Proponiamo di considerare questo richiesta di finanziamento subjudice ai risultati che otterremo con la prima struttura.
In aggiunta, il gruppo del CERN ha finanziato la deposizione di materiale getter su tutte le superfici libere della camera a vuoto (circa 10
Keuro).
Prevediamo di iniziare la presa dati con elettroni in assenza di trappola per idrogeno (antidrogeno) entro l’autunno per verificare il
funzionemaneto dell’apparato, studiare il
vuoto limite che si riuscira’ a raggiungere e verificare che i fenomeni di trasporto radiale non limitino il tempo di confinamento delle
particelle cariche in modo sostanziale anche in condizioni di assenza di trappola per neutri.
La struttura meccanica e’ gia’ pronta per alloggiare i magneti permanenti.
Il gruppo di Firenze ha lavorato sul progetto del laser Lyman−alpha come descritto nel
documento allegato alla presente ( e gia’ consegnato alla commissione)
L’attivita’ sperimentale a Firenze non e’ stata finanziata nel 2004 e quindi non e’ ancora potuta cominciare.
Durante la riunione di giugno 2004 la commissione ha suggerito di verificare se lo sviluppo del laser Lyman−alpha potesse essere
finanziato nell’ambito del progetto speciale NTA. Abbiamo discusso questa possibilita’ con il responsabile del progetto di cui riportiamo qui
il parere:
Cari Gemma e Guglielmo,
faccio seguito al colloquio telefonico con Gemma per confermare che il
progetto speciale NTA non è assolutamente l'ambito appropriato per lo
sviluppo del laser Lyman−alpha di vostro interesse. NTA significa Nuove
Tecniche di Accelerazione e, anche dando ai suoi eventuali contenuti una
interpretazione quanto più estesa possibile, il legame tra quanto
proponete ed il progetto risulta estremamente debole se non del tutto
assente.
Resto a vostra disposizione per eventuali chiarimenti.
Cordiali saluti
Marco Napolitano
Lo sviluppo di questo laser e’ di importanza strategica per la fisica su antidrogeno freddo.
Riteniamo che l’inizio della attivita’ sperimentale in questo campo non debba essere ulteriormente posticipata.
Il comitato SPSC del CERN si riunira’ a Villars dal 22 al 28 settembre per discutere
“Future fixed targed program at CERN”.
I programmi di fisica con antiprotoni a bassa energia e quindi con antidrogeno freddo verranno discussi il 25 e 26 settembre.
Confidiamo nel fatto che il risultato di questa riunione chiarisca (speriamo in modo
positivo) quali sono i progetti del CERN sulla linea scientifica in oggetto.
Chiediamo alla commissione di ridiscutere la nostra proposta tenendo conto
− della raccomandazione del SPSC (appena sara' disponibile)
− della risposta del responsabile di NTA;
− dell’interesse che anche il gruppo Virgo dimostra su questo sviluppo
(alleghiamo una lettera di F. Vetrano)
− del fatto che la lettera di intenti presentata al GSI per la realizzazione di una facility che fornisca antiprotoni a bassissima energia e’ stata
approvata dal PAC.
La fisica con antidrogeno freddo e’ parte del programma sperimentale inserito nella lettera di intenti. L’esatta risposta della commissione si
puo’ leggere in http://www−linux.gsi.de/~flair/
B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2005
L’attivita’ prevista per il gruppo di Firenze e’ descritta nell’allegato ai moduli EC2
e nella documentazione allegata alla presente gia’ presentata alla commissione.
Esiste solo uno shift temporale rispetto a quanto scritto in questi documenti.
L’attivita’ del gruppo di Genova nel 2005 riguardera’
−misure di stabilita’ del confinamento di elettroni in una trappola di Penning sovrapposta a un dodecapolo magnetico che realizza il
confinamento radiale di atomi.
Prevediamo di eseguire manipolazioni del plasma di elettroni per variarne la densita’ e le dimensioni radiali in modo da studiare il
fenomeno di trasporto radiale indotto dal campo magnetico disomogeneo in funzione dei parametri interessanti.
La compressione del plasma si ottiene con la tecnica del rotatine wall che richiede di applicare segnali RF su settori radiali della trappola
sfasati tra di loro in modo opportuno. Il generatore RF di cui chiediamo il finanziamento serve a questo scopo.
I consumi di elio e azoto sono valutati conoscendo il funzionamento dei nostri criostati e i costi dell’elio e azoto a Genova.
La maggioranza della elettronica di controllo e’ realizzata da noi: questo permette di contenere i costi. Chiediamo la cifra scritta sul capitolo
consumo per il completamento e il mantenimento della elettronica.
Un’altra voce essenziale sul capitolo consumo riguarda il mantenimento dell’apparato da ultra alto vuoto che stiamo installando.
La richiesta dell’analizzatore di gas residuo e quella delle sonde e monitor di tempertaura erano gia’ presente sui moduli dello scorso anno
ma il finanziamento ridotto assegnatoci non ne ha permesso l’acquisto.
−Prevediamo di confrontare il comportamento del dodecapolo con quello di una struttura con ordine di multiplo piu’ basso ma con la stessa
struttura meccanica.
− Prevediamo di modificare l’apparato e la struttura della trappola in modo da poter caricare anche protoni insieme agli elettroni.
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
finanziario
Missioni
interne
Missioni
estere
Materiale di Trasporti e
consumo facchinaggi
Spese di
calcolo
In kEuro
Affitti e
Materiale
Costruzione
manutenzione inventariabile
apparati
TOTALE
2004
TOTALE
Mod EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
ATHENA2-RD
M. Amoretti1, C. Carraro1,2, L. Cacciapuoti3, R. Drullinger3, M. Fattori3, G.
Ferrari4, V. Lagomarsino1,2, M. Macri’1, G. Manuzio1,2, M. Prevedelli5, N. Poli3, L.
Ricci6 , G. Testera1, G. M. Tino3, A. Variola1
1) Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova , I-16146 Genova
2) Dipartimento di Fisica, Universita’ di Genova, I-16146 Genova va
3)Dipartimento di Fisica e LENS - Universita' degli Studi di Firenze, INFN - Sezione di Firenze, I50019
4)Dipartimento di Fisica e LENS - Universita' degli Studi di Firenze, INFM - Firenze, I-50019
5) Universita' di Bologna e INFN - Sezione di Firenze
6) Dipartimento di Fisica - Universita' di Trento, I-38050 Trento-Povo
Abstract
Questo documento descrive una proposta di attivita’ di ricerca e sviluppo finalizzata alla
preparazione di una proposta di esperimento per la verifica del principio di equivalenza
per antimateria utilizzando atomi di antidrogeno. L’ interesse di questoprogetto e’ legato
alla disponibilita’ di atomi di antidrogeno con bassa temperatura dimostrata nel 2002
dall’ esperimento Athena.
Il proposal dovra’ essere presentato al CERN entro il 2004.
La collaborazione scientifica nazionale e internazionale interessata a questo esperimento
e’ attualmente in fase di formazione; i gruppi italiani delle Universita’ e sezioni INFN di
Pavia e Brescia (gruppo collegato) attualmente partecipanti con il gruppo di Genova all’
esperimento ATHENA in gruppo 3, esprimono gia’ da ora un grande interesse scientifico
e intendono collaborare alla scrittura del proposal.
Introduzione
L'esperimento Athena (finanziato dalla commissione III INFN) ha prodotto e rivelato
nell'estate 2002 [1] atomi di antidrogeno con energia dell'ordine del meV e cioe’
equivalenti a temperature dell'ordine della decina di gradi Kelvin. Successivamente l'
esperimento ATRAP [2] ha pubblicato dati simili.
Il risultato ha riscosso un interesse enorme nell'ambiente scientifico
(e anche
divulgativo)
poiche'
la
disponibilita'
di
atomi
di
antimateria
freddi
apre la strada per eseguire verifiche di principi di fisica fondamentale su un sistema
fisico completamenete nuovo e con alta precisione.
Atomi di antiidrogeno erano gia' stati prodotti prima al CERN [3] e poi
a Fermilab [4] in processi di interazione di antiprotoni con energia di diversi GeV su
bersagli di Xenon o idrogeno. Gli antiatomi prodotti in questi processi hanno energia
confrontabile con quella del fascio degli antiprotoni incidenti e la sezione d'urto di
produzione ha valori tipici dell'ordine della decina di picobarn. Il numero di antiatomi
prodotti in questi esperimenti e' basso (dell’ordine della decina).
L'esiguo numero e, soprattutto, la alta energia rendevano difficile l'utilizzo di questi
atomi come un sistema su cui eseguire tests di fisica fondamentale con alta precisione.
Due sono dunque i fattori che rendono il risultato di Athena importante per gli sviluppi
futuri: il primo e' la bassa energia degli atomi prodotti e il secondo e' l'alto numero degli
antiatomi che si riesce ad avere a disposizione. Infatti nel 2002, in tre mesi di presa dati,
ATHENA ha prodotto circa un milione di atomi di antidrogeno.
La disponibilita' di atomi freddi schiude le porte di un settore di ricerca completamente
nuovo in cui la fisica delle particelle e la fisica atomica si possono integrare e permettere
per esempio di eseguire verifiche del principio di equivalenza per antimateria, test di
CPT con altissima precisione e ottenere risultati completamente originali di fisica
atomica [5],[6],[7].
Le metodologie sperimentali tipiche della fisica degli atomi freddi quali il confinamento
magnetico, il laser cooling, il confinamento magneto-ottico e infine l'interferometria
atomica e la spettroscopia ad alta precisione ampiamente utilizzate con atomi ordinari
devono essere adattate e integrate con le tecnologie utilizzate in Athena per produrre
antiatomi e cioe' le tecniche di confinamento e raffreddamento di antiprotoni e positroni
in trappole elettromagnetiche, la fisica dei plasmi non neutri e freddi, le tecniche di
rivelazione, simulazione e analisi degli eventi tipiche della fisica nuclere o della fisica
delle alte energie, l’ultra-alto vuoto e la criogenia.
Sebbene tutte queste metodologie sperimentali separatemente siano utilizzate a livello di
routine, la loro integrazione in un apparato unico e l'applicazione all'antidrogeno pone
dei problemi nuovi. L'attivita' che stiamo proponendo riguarda l'approfondimento di
alcune problemi sperimentali che devono essere risolti per poter arrivare ad eseguire
misure del tipo di quelle citate (test di CPT o del principio di equivalenza) e definire una
nuova proposta di esperimento.
Sebbene, come sara' chiaro dai paragrafi successivi, l'attivita' che proponiamo e’
indispensabile sia per disegnare un esperimento di spettroscopia che un esperimento
per la verifica del principio di equivalenza, il nostro interesse scientifico prevalente e'
rivolto al test del principio di equivalenza per antimateria.
In questo documento dapprima vengono riassunti i risultati principali sulla produzione
di antidrogeno in Athena e viene poi discusso l' interesse scientifico delle misure che si
possono effettuare su antidrogeno freddo e descritto il contesto internazionale in cui
questa attivita' e' inserita. Vengono poi evidenziati i problemi chiave ancora da
approfondire prima di poter disegnare un apparato sperimentale e descritta la proposta
di attivita' di R&D di cui chiediamo il finanziamento.
La produzione di antidrogeno in Athena
Gli atomi di antidrogeno in Athena vengono prodotti attraverso il processo atomico di
ricombinazione dei suoi costituenti (positroni e antiprotoni) che vengono raffreddati fino
a energie dell'ordine del meV, manipolati e confinati all'interno di trappole
elettromagnetiche.
I due processi di ricombinazione che intervengono sono la ricombinazione radiativa e la
ricombinazione a tre corpi
p + e + → H + hυ
p + e+ + e+ → H + e+
L'esperimento e' installato al CERN presso la macchina AD (Antiproton Decelerator) che
e' una facility al momento unica al mondo che fornisce, ogni 90 secondi, antiprotoni con
5 MeV di energia cinetica in “shots” della durata di qualche centinaio di ns che
contengno circa 3 107 antiprotoni.
La decelerazione da 5 MeV fino ai meV necessari per la ricombinazione e' effettuata entro
l'apparato sperimentale.
I positroni sono forniti da un sorgente di Na22 e devono a loro volta essere raffreddati e
accumulati entro l'apparato sperimentale.
Le trappole elettromagnetiche [8] sono lo strumento fondamentale che permette di
confinare per tempi macroscopici (centinaia o migliaia di secondi), manipolare e
raffreddare le particelle cariche. Esse sono costituite da una serie di elettrodi cilindrici
di opportuna lunghezza a cui vengono applicati dei potenziali statici. Si realizza cosi'
una buca di potenziale nella direzione assiale che permette il confinamento di particelle
con opportuno segno della carica se la loro energia e' minore della profondita' della buca
(trappole di Penning o trappole di Malmberg).
La figura seguente mostra un esempio.
Radialmente il campo elettrico risultante e' necessarimente repulsivo e il confinanento
richiede l'uso di un campo magnetico uniforme diretto lungo l’asse del sistema (asse z).
Il moto delle particelle entro queste trappole e', nei casi di interesse, descritto in termini
di traiettorie classiche e in molte situazioni non e' possibile trascurare gli effetti di carica
spaziale. In particolare in AThena la nuvola di positroni utilizzata nel processo di
ricombinazione (circa 7 107 positroni con densita' dell’ordine 108 /cm3, raggio di circa 2
mm, estensione assiale totale di circa 3 mm e temperatura di poche decine di Kelvin [9])
deve esser considerata un plasma non neutro freddo.
La dinamica e le caratteristiche di plasmi completamente carichi e freddi confinati in
trappole elettromagnetiche e’ ampiamente studiata sia a livello teorico che sperimentale
da diversi gruppi di ricerca [10] da molti anni. Alcuni di questi gruppi sono in stretto
contatto con Athena.
Il confinamento simultaneo di particelle con carica di segno opposto e' piu' delicato e in
Athena si usa una configurazione detta ``trappola nested'' in cui una regione che confina
positroni e' posta al centro di una regione piu' ampia in cui si confinano antiprotoni (vedi
figura). Gli antiprotoni durante la loro oscillazione assiale attraversano dunque la nuvola
di positroni, interagiscono con essa ed eventualmente ricombinano.
L'apparato [11] e' composto da diverse parti che svolgono il compito di cattura e
raffreddamento degli antiprotoni di AD, raffreddamento e accumulo di positroni,
trasporto e manipolazione delle nuvole cariche, sovrapposizione spaziale delle nuvole
cariche per permettere la ricombinazione, rivelazione degli atomi di antidrogeno.
Le trappole elettromagnetiche sono montate in una camera a vuoto raffreddata fino a 15
Kelvin e inserite in un campo magnetico di 3 Tesla realizzato con un magnete
superconduttore. Gli atomi di antidrogeno neutri non sono confinati entro l’apparato e,
una volta prodotti, annichilano sulle pareti metalliche della trappola.
Il rivelatore [12] montato attorno alla regione di ricombinazione, e' un elemento chiave
dell'apparato che permette la rivelazione delle annichilazione di antidrogeno e la loro
identificazione rispetto a quelle dovute a annichilazioni dei singoli costituenti. E’ formato
da un doppio strato di rivelatori al silicio e da cristali di CsI: i segnali rivelati dai silici
permettono la ricostruzione del vertice dovuto alle annichilazioni antiprotone-nucleo e i
cristalli permettono la rivelazione dei gamma da 511 KeV dovuti alla annichilazione
positrone-elettrone. L’evento di annichilazione di antidrogeno e’ identificato attraverso la
coincidenza spazio temporale dei segnali dovuti alla annichilazione antiprotone-nucleo e
positrone-elettrone.
In un ciclo di misura tipico circa 104 antiprotoni vengono fatti sovrapporre a un plasma
freddo (15 Kelvin circa) di circa 7107 positroni per 180 secondi.
Risulta che in queste condizioni il 15% degli antiprotoni ricombina in antidrogeno con
una rate che decresce nel tempo ma che assume valori iniziali superiori a 100 Hz [13].
La caratteristiche del plasma di positroni influenzano il processo di formazione di
antidrogeno e le caratteristiche (energia e direzione di emissione) dello stato finale in cui
l’antidrogeno e’ emesso.
Il plasma in equilibrio termodinamico con temperatura T e’ caratterizzato da un moto
coerente di rotazione attorno all’asse del sistema dovuto alla presenza del campo
magnetico e dei campi elettrici (carica spaziale+ campi applicati).
La frequenza di rotazione dipende dalla densita’ del plasma. La temperatura del sistema
e’ quindi definita nel sistema di riferimento rotante e, nei casi di interesse in cui l’energia
dovuta alla carica spaziale e’ maggiore di quella termica, si puo’ descrivere il plasma
come un sistema con temperatura che tende a zero. La temperatura reale e’ dell’ordine
della temperatura delle trappole (i positroni raggungono l’equilibrio termico con
l’ambiente con una costante tempo di circa 0.4 secondi).
In questo caso risulta che il plasma e’ un ellissoide di rotazione con densita’ costante e
che i campi dovuti alla carica spaziale ccompensano i campi applicati in direzione
assiale. Dunque in direzione assiale un antiprotone che attraversa il plasma subisce
decelerazione per collisioni con i positroni ma si muove in un campo elettrico
mediamente nullo. Radialmente il campo elettrico dovuto ai positroni rafforza quello
dovuto ai potenziali applicati agli elettrodi. Il moto radiale di un antiprotone entro il
plasma deve tenere conto di questi campi e il risultato e’ che l’ antiprotone ruota con una
velocita’ angolare praticamente uguale a quella dei positroni.
Il rate di ricombinazione dipende dalla velocita’ relativa tra antiprotoni e positroni ma la
energia con cui l’atomo di antidrogeno emerge dal plasma dipende dalla velocita’ dell’
antiprotone nel sistema del laboratorio.
I dati di Athena del run del 2002 indicano che il detector rivela antiatomi emessi in modo
pressoche’ isotropo [14].
L’energia degli antiatomi non e’ stata ancora misurata direttamente ma, dalle
considerazioni precedenti, risulta che il suo valore non puo’ essere inferiore a qualche
decina di Kelvin.
Motivazioni per esperimenti con antimateria a bassa energia
Antidrogeno e simmetria CPT
L’invarianza CPT e’ una delle proprieta’ fondamentali delle teorie di campo quantistiche
in uno spazio tempo piatto ed e’ conseguenza di alcune ipotesi di base della teoria e cioe’
la localita’, l’ invarianza per trasformazioni di Lorentz e l’unitarieta’. Le conseguenze
principali includono la predizione che particelle e antiparticelle devono avere la stessa
massa e vita media, la stessa carica e momento magnetico in modulo. Segue anche che
la struttura fine, iperfine, il Lamb shift di sistemi legati di materia e antimateria devono
essere identici.
L’invarianza CPT e’ stata verificata sperimentalmente in numerosi sistemi fisici.
La tabella seguente riporta alcuni dati tratti dal Particle Data Book 2002
(me+-me-)/me< 4 10-8
(qe+-qe-)/ qe< 4 10-8
(g +-g -)/ gaver
= (-2.6 +- 1.6 ) 10-8
(q/m)pbar/(q/m)p
= (1.5 +-1.1) 10-9
(ge+-ge-)/ gaver
= (-0.5 +- 2.1) 10-12
< 10-18
(mK0-mK0)/mK0
Il test piu preciso e’ quello sui kaoni neutri ma la sua interpretazione non e’
completamente indipendente da modelli.
La spettroscopia dell’atomo di idrogeno utilizzando tecniche di confinamento di atomi
freddi [15] o usando beam atomici freddi [16] ha raggiunto precisioni molto elevate.
La frequenza della transizione 1S-2S e’ stata misurata con una risoluzione di 1.5 10-14
utilizzando atomi di idrogeno con energia pari a frazioni di mKelvin.
La larghezza intrinseca di soli 1.3 Hz di questa riga offre la possibilita’ di eseguire un test
diretto di CPT con una precisione di una parte 1018 confrontando la frequenza della
transizione in idrogeno e antidrogeno. Simili tests sono possibili utilizzando altre
transizioni.
Il punto importante e’ che la precisione elevata di queste misure e’ legata alla bassissima
energia dell’atomo che e’ essenziale sia per il suo confinamento che per limitare effetti
Doppler nelle misure con fasci. Se queste energie potessero essere raggiunte per atomi di
antidrogeno allora le metodologie di misura usate per atomi potrebbero essere usate per
antiatomi.
Antidrogeno e principio di equivalenza
Il principio di equivalenza e’ il fondamento della teoria della gravitazione universale di
Einstein e prevede che l’accelerazione gravitazionale di oggetti in caduta libera sia
indipendente dalla loro composizione. Nonostante questo principio sia stato verificato
con grande accuratezza per oggetti composti di materia ordinaria, non esiste nessun test
diretto della validita’ del principio di equivalenza per antimateria.
Notiamo che la validita’ di CPT anche in una teoria che includa la gravitazione non
assicurerebbe la validita’ automatica del principio di equivalenza per antimateria nel
campo gravitazionale terrestre. CPT direbbe solo che un atomo di antidrogeno cade verso
una antiterra con la stessa accelerazione con cui un atomo di idrogeno cade verso la
terra.
Inoltre lo studio delle proprieta’ gravitazionali della antimateria potrebbe offrire una
chiave per verificare modelli di teorie di quantum gravity dove accanto al gravitone
vengono introdotte altre particelle con spin 0 (graviscalare) oppure 1 (gravivettore).
Queste particelle mediano interazioni che al limite classico provocono deviazioni nella
legge 1/r del potenziale Newtoniano [17]. Forze mediate da particelle scalari sono
attrattive se l’interazione e’ materia-materia o materia-antimateria ma forze mediate da
particelle vettoriali cambiano segno se l’interazione e’ materia-materia o tra materia e
antimateria.
Questo fatto fu osservato prima prima ancora che nascesse l’interesse sulle misure in
cui si verifica la dipendenza delle accelerazione di gravita’ dalla composizione degli
oggetti materiali (esperimenti sulla cosiddetta 5 forza). Nonostante tali esperimenti
possana fornire limiti su interazioni mediate da particelle vettoriali, un confronto diretto
della accelerazione di gravita’
scientifico [18]
di materia e antimateria sarebbe di indubbio interesse
Un esperimento per misurare la differenza della accelerazione di gravita’ tra antiprotoni
e protoni e’ stato approvato al CERN presso LEAR intorno alla meta’ degli anni 80
(PS200) [19].
Il metodo consisteva nel misurare la distribuzione dei tempi di volo di antiprotoni freddi
lanciati verticalmente in un tubo di drift di un metro di lunghezza. Le precisioni previste
erano a livello del 1%. Nel seguito sono state proposte e studiate tecniche piu’ accurate
[20]. La misura non e’ mai stata effettuata ma PS200 ha posto le basi delle metodologie
sperimentali utilizzate in Athena. Tra i proponenti della presente attivita’ ci sono persone
che furono coinvolte in PS200.
La misura della accelerazione di gravita’ g su antiprotoni risulta molto difficile a causa
soprattutto della debolezza della forza gravitazionale rispetto a quella elettrica: basti
pensare che un campo elettrico di soli 10-7 V/m produce su un antiprotone una forza
uguale a quella gravitazionale.
La disponibilita’ di antimateria in forma neutra permetterebbe di superare molte delle
difficolta’ legate alla misura con particelle cariche. Risulta pero’ evidente che qualunque
sia il metodo di misura utlizzato occorre disporre di particelle molto lente cioe’ con
energia inferiore al mKelvin.
In assenza di un qualunque dato sperimentale sulla validita’ del principio di equivalenza
una misura con una precisione come quella prevista da PS200 e’ comunque un
traguardo fondamentale ma le prospettive possoni essere molto piu’ ambiziose perche’ la
tecnologia della manipolazione degli atomi freddi confinati in trappole magneto-ottiche e
le tecniche di interferometria atomica hanno permesso di misurare la accelerazione di
gravita’ su atomi con precisioni di 10-8-10-9 [21].
Alcuni dei proponenti della presente attivita’ sono impegnati nell’ esperimento MAGIA
che usa appunto queste metodologie sperimentali [22]. Precisioni simili si potranno
raggiungere in futuro con atomi di antimateria se si riuscira’ ad applicare ad atomi di
antidrogeno queste tecnologie.
Contesto e scadenze internazionali
Come risulta chiaro dai paragrafi precedenti, per poter eseguire misure di fisica
fondamentale su atomi di antidrogeno occorre disporre di antiatomi con energia inferiore
al milliKelvin. Nonostante i problemi siano comuni a esperimenti di spettroscopia o
esperimenti sulla verifica del principio di equivalenza, il nostro interesse scientifico e’
rivolto al progetto di un esperimento per la verifica del principio di equivalenza
utlizzando atomi di antidrogeno.
Prima di poter progettare un apparato che permetta di eseguire misure di questo tipo,
dobbiamo approfondire alcuni problemi preliminari tra di loro collegati e in particolare
occorre eseguire attivita’ di R&D sui problemi relativi al
1) confinamento dell’antidrogeno
2) raffreddameno dell’antidrogeno
Questa attivita’ , che si dovrebbe svolgere nei laboratori di Genova e Firenze, ha come
scopo la definizione di un proposal da presentare al CERN.
L’esperimento ATHENA, cosi’ come gli altri due esperimenti installati su AD attualmente,
prendera’ dati nel 2003 e nel 2004. Nel 2005 AD non fornira’ fascio a causa della
decisione del CERN sulla pausa degli acceleratori in questo anno.
L’attivita’ su AD dovrebbe riprendere al CERN a partire dal 2006 con esperimenti nuovi.
Il CERN richiede la presentazione di nuovi proposals (attualmente la scadenza e’ l’
estate 2004) competitivi che giustifichino la riapertura e il
mantenimento della
macchina dopo la pausa del 2005.
I gruppi che firmano la presente proposta intendono svolgere attivita’ di ricerca per
risolvere le questioni sperimentali descritte a proposito dell’ intrappolamento e
raffreddamento di antidrogeno e, in collaborazione con i gruppi di Pavia e Brescia che
sono coinvolti in Athena, intendono lavorare per arrivare a un progetto di un apparato e
di un esperimento da proporre al CERN entro i tempi richiesti.
Inoltre, non appena la sigla Athena sara’ chiusa, il numero di fisici equivalenti del
gruppo di Genova comprendera’, oltre quelli indicati adesso, tutti coloro che attualmente
partecipano ad Athena.
Alcuni degli Istituti attualmente coinvolti in Athena hanno gia’ dichiarato interesse per
un esperimento sul principio di equivalenza, con altri sono in corso discussioni.
E’ interessante osservare che esiste un progetto del CERN che prevede un sostanziale
miglioramento di AD per il 2006: l’idea e’ quella di utilizzare un deceleratore a
radiofrequenza identico a quello installato e gia’ funzionante sull’ esperimento ASACUSA
[23]. Questo deceleratore, seguito da un trappola elettromagnetica del tipo di quelle di
Athena, permette di aumentare di un fattore 100 il numero di antiprotoni freddi (energie
intorno all’eV o subeV) rispetto a quello che attualmente si ottiene in ATHENA. Questo e’
un risultato che la collaborazione ASACUSA ha gia’ raggiunto.
Il deceleratore dovrebbe diventare parte della macchina che fornira’ cioe’ agli utenti
antiprotoni con energia intorno all’ eV. Questo progetto e’ stato descritto a Monaco
durante l’ workshop sul futuro di AD a maggio 2003.
Sottolineiamo inoltre che la linea di ricerca sulla antimateria a bassa energia ha
prospettive piu’ ampie di quelle offerte attualmente dal CERN perche’ presso la facility di
acceleratori recentemente approvata al GSI e’ prevista una linea con antiprotoni del tutto
simile all’attuale AD. Anche qui e’ previsto l’uso di un deceleratore a radiofrequenza.
Questa nuova facility entrera’ in funzione nel 2010.
Principi del confinamento magnetico
Il confinamento magnetico di specie atomiche neutre si basa sull'interazione tra il
momento magnetico atomico ed un campo magnetico statico disomogeneo
opportunamente modellato. Il termine che descrive tale interazione e’
H = − µ ⋅ B (r )
µ
dove
indica il momento di dipolo magnetico dell’atomo e B (r ) e’ il campo magnetico.
Nell'ipotesi di validita’ dell'approssimazione adiabatica, ossia se la frequenza di Larmor
risulta molto maggiore del tasso di variazione del campo magnetico visto nel sistema di
riferimento dell'atomo, l'Hamiltoniana diviene:
H = ±µ B
Gli atomi con segno '-' sono chiamati High-Field-Seekers (HFS) dal momento che sono
attratti e intrappolati dai punti di massimo del modulo del campo magnetico; viceversa,
quelli con il segno '+' sono attratti dai punti di minimo del modulo del campo e sono detti
Low-Field-Seekers(LFS).
Il fatto che un campo magnetico statico risulti irrotazionale determina l'impossibilita’ di
trovare punti di massimo del modulo all'interno di un mezzo omogeneo [24]: essi
possono essere trovati esclusivamente all'interfaccia tra due mezzi con diversa
permeabilita’ o nelle sorgenti di campo. Da cio’ deriva l'impossibilita’ di confinare gli HFS
nel vuoto. Per contro, e’ possibile creare minimi di modulo del campo magnetico ed
intrappolare quindi i LFS, ad esempio utilizzando una coppia di bobine in configurazione
anti-Helmholtz.
La profondita’ della buca di potenziale dipende, oltre che dai termini dello sviluppo del
campo maggiori o uguali al primo (gradiente, curvatura, ecc.), dal momento magnetico
della specie da intrappolare. Nel caso degli atomi alcalini (ivi compreso l'idrogeno [25])
che in virtu’ dell'unico elettrone di valenza risultano paramagnetici, si ha che il momento
magnetico e’ di fatto pari a un magnetone di Bohr e cioe’ 0.67 K/T.
Dunque per confinare antidrogeno con energie inferiori a circa 670 mK in una regione
con dimensioni lineari di pochi cm occorre realizzare dei gradienti di campo magnetico
dell’ordine del Tesla/cm.
Generazione e geometria del potenziale di confinamento
Nella gran parte delle applicazioni attuali, i campi magnetici necessari per
l'intrappolamento sono generati mediante distribuzioni di corrente. Un secondo
approccio riguarda l'impiego di magneti permanenti (si veda ad esempio [26]) con
l'eventuale aggiunta di materiali ad alta permeabilita’ [27] al fine di incrementare il
gradiente di campo.
La generazione del campo mediante magneti permanenti presenta, sulla prima soluzione,
il vantaggio di evitare problemi legati all'ingombro dei conduttori e, nel caso non vengano
usati superconduttori, alla dissipazione termica. D'altro canto, l'impiego di correnti
consente di accendere, modulare o spegnere il potenziale di confinamento, un vantaggio
che in numerose situazioni sperimentali si rivela risolutivo.
Un aspetto fondamentale e’ costituito poi dalla scelta della geometria della sorgente di
campo e quindi della distribuzione spaziale del campo magnetico stesso. Un ruolo
importante in tale ambito e’ giocato dall'approssimazione adiabatica, la cui violazione
comporta la perdita degli atomi intrappolati per Majorana spin-flips. Il campo di
quadrupolo generato da una coppia di bobine in configurazione anti-Helmholtz non
costituisce in tal senso una soluzione ideale, al contrario della cosiddetta configurazione
Ioffe-Pritchard [28] che viene attualmente utilizzata in un gran numero di esperimenti
con atomi freddi. La figura seguente mostra la geometria dei conduttori nella trappola di
Ioffe-Pritchard. Notiamo che il sistema non ha simmetria di rotazione.
Come veniva ricordato in precedenza, l'idrogeno e’ una delle specie atomiche per le quali
la tecnica dell'intrappolamento magnetico risulta applicabile. D'altra parte, a differenza
delle altre specie alcaline, l'idrogeno non e’ altrettanto ben manipolabile con le tecniche
di Laser Cooling and Trapping. La ragione di cio’ risiede nella difficolta’ di produrre
radiazione risonante con la transizione atomica fondamentale, la Lyman-alfa di 112.5
nm.
Negli esperimenti su idrogeno freddo, ivi compresa la condensazione di Bose-Einstein, il
raffreddamento di un campione di idrogeno atomico fino a temperature dell'ordine o
inferiori alle profondita’ dei potenziali di confinamento (dell’ordine del Kelvin) viene
realizzato mediante tecniche termodinamiche.
Queste ultime risultano efficienti solo in presenza di densita’ atomiche superiori a 1012
cm-3. Un tale valore pregiudica la possibilita’ di applicare attualmente tecniche analoghe
su atomi di antiidrogeno.
Da queste considerazioni risulta evidente che l'obiettivo di intrappolare l'antiidrogeno
richiedera’ l'impiego di tecniche alternative o lo sviluppo di nuove. Un possibile approccio
riguarda l'utilizzo di potenziali di intrappolamento basati su altre interazioni (per
esempio con campi elettrici) o comunque su combinazioni di forze. In tal senso va
menzionato che e’ attualmente in fase di ultimazione a Trento un esperimento in grado
di intrappolare atomi di Rubidio mediante una combinazione di forza magnetica e
gravitazionale. Un secondo aspetto riguarda lo sfruttamento della particolare situazione
nella quale gli atomi di antiidrogeno vengono prodotti nell'esperimento ATHENA: esiste
infatti la possibilita’ che gli atomi si trovino in stati di Rydberg, ossia con numero
quantico principale e con momento angolare orbitale molto elevato.
Cio’ implicherebbe una maggiore risposta nei confronti dei gradienti di campo magnetico
ed elettrico, rispettivamente a causa di un maggiore fattore di Lande’ e di una maggiore
polarizzabilita’ elettrica.
Un problema fondamentale da studiare riguarda la possibilita’ di produrre antidrogeno
tramite ricombinazione di positroni e antiprotoni e di confinarlo nello stesso volume in
cui viene prodotto. Occorre a questo scopo una configurazione di campi elettrici e
magnetici che permetta il confinamento stabile sia delle particelle cariche (in stato di
plasma) che costituiscono l’ antiatomo che degli antiatomi neutri.
Questa configurazione di campi non e’ banale da individuare: la semplice aggiunta di
una trappola tipo Ioffe Pritchard alla regione di confinamento dei plasmi carichi non
permette in generale di avere stabilita’ nel confinamento del plasma. Il motivo e’ la
mancanza di simmetria di rotazione che si genera a causa della trappola di Ioffe
Pritchard. La simmetria di rotazione e’ fondamentale per assicurare il confinamento del
plasma completamente carico per tempi macroscopici. Questa simmetria si traduce
nella conservazione del momento angolare del sistema e quindi nella conservazione del
raggio quadratico medio. Ogni fenomeno di trasporto radiale in presenza di simmetria di
rotazione deve conservare il raggio quadratico medio del plasma e questo limita quindi la
possibilita’ di espansione e perdita di particelle.
Il gruppo di J. Fajans a Berkeley, [29] con cui siami in contatto, ha eseguito misure su
questo problema (stabilita’ di plasmi di elettroni in campi quadrupolari).
Campi magnetici multipolari si avvicinano di piu’ a una configurazione con simmetria di
rotazione e potrebbero essere piu’ vantaggiosi (30)
Altri gruppi [31] hanno individuate e stanno studiando configurazioni di confinamento
completamente diverse.
Attivita’ sperimentale proposta sul confinamento di antidrogeno
Proponiamo di studiare questo problema dapprima definendo la geometria di un sistema
di confinamento idoneo alla formazione e al simultaneo confinamento di particelle
cariche e neutre e poi eseguendo test di stabilita’ per particelle cariche nella
configurazione individuata.
I test potranno essere eseguitinei laboratori INFN di Genova riutilizzando parte della
strumentazione gia’ finanziata dall’INFN nell’ ambito di Athena e in passato di PS200.
Dati i valori dei campi magnetici in gioco, comunque sara’ definita’ la geometria del
campo magnetico, appare evidente che si debbano usare avvolgimenti superconduttori.
Stiamo valutando se e’ possibile modificare un magnete superconduttore (3 Tesla, bore
di 15 cm di diamtro a temperatura ambiente) presente nei nostri laboratori in modo da
inserire avvolgimenti per produrre i necessari gradienti oppure se e’ conveniente
realizzare un magnete nuovo.
L’apparato sperimentale che stiamo progettando consiste di una trappola tipo MalmbegPenning del tutto simile a una porzione di quella utilizzata in Athena che sara’ posta in
una camera a vuoto possibilmente criogenica. Il campo magnetico deve consentire il
confinamento delle particelle cariche e di antidrogeno. Plasmi di elettroni possono essere
facilmente generati (lo facciamo di routine in Athena perche’ gli elettroni ci servono per il
processo di electron cooling degli antiprotoni) entro trappole elettromagnetiche
utlizzando come sorgente un filamento che emette per effetto termoionico. Gli elettroni in
alto campo magnetico si raffreddano in tempi brevi per radiazione e raggiungono
idealmente l’equilibrio termico con l’ambiente in cui sono montate le trappole (4 Kelvin).
Densita’ di diversi 108 cm-3 si raggiungono con poche decine di Volts applicati agli
elettrodi delle trappole. I tempi di confinamento e la stabilita’ si studiano con misure
distruttive (dump del plasma su una Faraday cup) o non distruttive quali la rivelazione
dei modi di plasma. Su questo aspetto abbiamo lavorato molto in Athena e abbiamo
raggiunto risultati originali mettendo a punto una diagnostica che permetter di misurare
densita’, dimensioni e numero di particelle confinate con perturbazioni trascurabili al
sistema[9]. Introducendo gradienti di campo magnetico sara’ importante avere a
disposizione una diagnostica distruttiva con risoluzione radiale del tipo di quella usata
in questo genere di esperimenti (schermo al fosforo e CCD) da altri gruppi.
L’ultraalto vuoto e’ un parametro importantissimo: abbiamo esperienza su questo
aspetto e anche parte della attrezzatura necessaria.
L’elettronica comprende la parte per l’applicazione dei segnali di polarizzazione degli
elettrodi e impulsi per estrarre o muovere le particelle in trappola oltre che l’elettronica
per la rivelazione di modi di plasma (radiofrequenza) e la manipolazione delle particelle.
Parte della elettronica verra’ realizzata nei nostri laboratori. Il sistema di gestione e di
acquisizione sara’ simile a quello di Athena cioe’ basato sull’uso di schede National e un
PC con Labview. I dati verranno poi analizzati con tools standard quali root.
Va verificata la stabilita’ di plasmi (quello di elettroni simulera’ quello di positroni in un
esperimento finale) e di nuvole di particelle dove l’effetto di carica spaziale e’ trascurabile
e che dovrebbe corrisposndere al caso degli antiprotoni.
Nell’apparato si potranno generare e confinare protoni. I protoni si generano facendo
incidere un fascio di elettroni su una targhetta e ionizzando il gas desorbito.
Se il segno dei potenziali applicati agli elettrodi e’ quello giusto i protoni rimangono
confinati in trappola.
Questa facility di test che stiamo progettando dovrebbe essere un oggetto con cui si
eseguono tests di idee da applicare all’apparato finale e dovrebbe restare in funzione
anche quando l’apparato finale sara’ definito per permettere facilmente di verificare
nuove procedure di manipolazione di particelle o altro.
La presenza
di una facility di tests di questo tipo avrebbe aiutato molto la
sperimentazione effettuata in Athena.
Prima di definire con piu’ dettaglio l’apparato sperimentale occorre, da parte nostra,
studiare ed eseguire calcoli sulle possibili configurazione di campo magnetico
potenzialmente adatte anche al confinamento delle particelle di antidrogeno olte che a
quello delle particelle cariche. La collaborazione con alcune persone di gruppo 5 di
Genova con grande esperienza sul progetto di magneti superconduttori risultera’ molto
preziosa e fondamentale sara’ l’esperienza del gruppo di Firenze (e delle persone dei
gruppi di Bologna e Trento che fanno riferimento alla sede di Firenze) sul confinamento
di particelle neutre in trappole magnetiche.
Attivita’ sperimentale proposta sul raffreddamento di antidrogeno
Sia per aumentare l’ efficienza di intrappolamento che per poter eseguire gli esperimenti
cui si e’ accennato, occorre un sistema efficiente di raffreddamento per gli atomi di
antidrogeno. La tecnica del laser cooling e’ utilizzata con successo nel campo del
raffreddamento degli atomi.
Le misure attualmente in corso in ATHENA sembrano indicare che gli atomi di
antiidrogeno che vengono prodotti attualmente
sono principalmente nello stato
fondamentale ed hanno una temperatura tra i 20 ed i 100 Kelvin e la loro velocita' nel
sistema del laboratorio e' sostanzialmente data dalla velocita' termica. Gli atomi hanno
quindi velocita' medie tra i 400 ed i 900 m/s.
Una trappola magnetica per atomi neutri nello stato fondamentale ha una profondita' di
circa 670 mK/Tesla. La scala di distanze in cui in una trappola di quadrupolo si passa
dallo zero del modulo del campo a valori di qualche Tesla e' di qualche cm.
Per potere immagazzinare con alta efficienza in una trappola magnetica gli atomi prodotti
dalla ricombinazione e' necessario non solo ridurre la temperatura al di sotto di pochi
Kelvin ma anche farlo in tempi brevi (poche decine di microsecondi ).
Sembra ovvio pensare di ricorrere alle tecniche di laser cooling: la transizione Ly-alpha,
dal livello 1S al 2P, a 121 nm, ha le desiderabili proprieta' di essere fortemente permessa
(tau=1.6 ns) e ad elevata frequenza.
Per arrestare un atomo di antiH che si muove a 900 m/s contro un fascio di radiazione
Ly-alpha basta l'impulso di circa 300 fotoni e, in condizioni di saturazione, il tempo
necessario per farlo puo' essere, potenzialmente, di 300*tau=0.5 microsecondi, pari a
una distanza di meno di 0.5 mm.
In realta', passando da 900 m/s a 0, l'effetto Doppler sposta la frequenza di
assorbimento degli atomi di circa 7.5 Ghz, da confrontare con la larghezza naturale della
transizione di 100 MHz. E' quindi necessario mantenere in risonanza gli atomi, mano a
mano che decelerano, con la radiazione. Una possibilita' puo' essere l'utilizzo di una
sorgente Ly-alpha a banda sufficientemente larga. In alternativa si puo' sfruttare l'effetto
Zeeman applicando un gradiente di campo magnetico. Alla riduzione della velocita'
longitudinale, tuttavia, e' associato un effetto di riscaldamento dato che i fotonivengono
assorbiti da una sola direzione ma riemessi in modo isotropo.
Due fasci di radiazione contropropaganti, spostati verso il rosso della transizione
possono, oltre che ridurre la velocita', anche diminuire la temperatura assiale a scapito
di quella trasversa. L'effetto Doppler porta infatti gli atomi ad assorbire fotoni
preferenzialmente dal fascio contropropagante. La temperatura minima raggiungibile in
questo schema (Temperatura Doppler) e' quella che corrisponde ad una velocita' che
causa un effetto Doppler dell'ordine della larghezza naturale della transizione, circa 3
mK, nel nostro caso.
Una sorgente Ly-alpha con una larghezza spettrale maggiore di quella naturale della
transizione sarebbe, in questo caso, indesiderabile, visto che porterebbe ad un aumento
della temperatura Doppler.
Non e' ovvio estendere a tre dimensioni l'effetto di rallentamento e raffreddamento in
regioni dove il campo magnetico e' estremamente elevato. Tuttavia l'interazione con
radiazione Ly-alpha appare di gran lunga la tecnica piu' promettente per la cattura degli
atomi prodotti dalla ricombinazione.
Produrre radiazione a 121 nm tuttavia e' estremamente difficile. Attualmente esiste una
sola sorgente Ly-alpha CW [32]. Si basa su un sistema laser relativamente complicato e
costoso che produce una potenza di circa 20 nW utilizzando tre sorgenti laser distinte e
miscelazione a 4 onde in vapori di mercurio. Gli autori dell'esperimento confidano di
potere aumentare di parecchi ordini di grandezza la potenza attuale. Sorgenti impulsate
sono molto piu' semplici da realizzare dato che l'efficienza dei processi non lineari
aumenta con la potenza di picco. Una sorgente impulsata potrebbe essere utilizzata in
sostituzione di una continua, a patto che la durata dell'impulso sia sufficientemente
maggiore della vita media del livello eccitato. Il repetition rate dovrebbe poi essere
sufficientemente elevato per arrestare gli atomi all'interno della trappola magnetica. Sono
state realizzate sorgenti impulsate con durata dell'impulso di circa 10 ns e repetition rate
di 50 Hz [33]. Mentre la durata dell'impulso e' adeguata, il repetition rate richiesto per
arrestare gli atomi in pochi cm e' attorno a 10 MHz.
Appare evidente che sebbene il laser cooling sia probabilmente l'unico modo che in
futuro potra consentire di trasferire gli atomi di antiidrogeno attualmente disponibili in
una trappola magnetostatica, non esiste attualmente una sorgente di radiazione Lyalpha con le caratteristiche richieste. La generazione di radiazione Ly-alpha CW appare
tuttavia molto promettente e sembrano possibili rapidi e importanti sviluppi.
Proponiamo che il gruppo di Firenze sviluppi una sorgente Lyman-alpha di potenza
adeguata ad effettuare laser cooling di antidrogeno.
E’ importante notare che buona parte dell’investimento finanziario sulla sorgente di luce
Lyman alpha sarebbe gia’ un investimento per l’ esperimento finale infatti l’obiettivo e’
quello di realizzare una sorgente che sia utilizzabile per l’esperimento vero e proprio.
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[22] J. Stuhler, M. Fattori, T. Petelski, and G.M. Tino J. Opt. B: Quantum Semiclass.
Opt., vol. 5, S75 (2003)
[23]http://www.cern.ch/Asacusa
[24] W.H. Wing ,Prog. Quant. El.,8,181 ( 1984)
[25] H. F. Hess et al., Phys. Rev Lett. 59 672 (1987)
[26] C. C. Bradley et al.,Phys. Rev. Lett. 75 1687 (1995)
[27] L. Ricci , V. Vuletic, T. Hansch Appl. Phys. B 59 195 (1994)
[28] D. E. Pritchard Phys. Rev. Lett. 51 1336 (1983)
[29] E. P. Gilson and J. Fajans, Phys. Rev. Lett. 90, 015001 (2003)
[30] J. Fajans, talk at ADFuture Workshop, Munich may 2003
[31] D. H. E. Dubin, Phys. Plasmas 8, 4331 (2001);
A. Mohri et al, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) 1553
[32] K.S.E. Eikema, J.Waltz and T.W. Haensch, PRL, 83, 3828 (1999);
K.S.E. Eikema, J.Waltz and T.W. Haensch Phys. Rev. Lett. 86 5679 (2001)
[33] I.D. Setija et al., PRL 70, 2257, (1993)
Addendum number 1
The experimental apparatus for studying the electromagnetic field
configurations able to confine the antihydrogen constituents and the neutral
antiatoms.
M. Amoretti, C. Carraro, V. Lagomarsino, L. Ricci, G. Testera
As described in the ATHENA2-R&D proposal, one of the main problems to be solved in order to
design an apparatus where the properties of very low energy Hbar atoms will be measured is to
find configurations of electric and magnetic fields allowing to confine positron plasmas,
antiprotons and then the neutral antihydrogen in the same volume for a convenient time.
The possibility to produce antihydrogen in a beam and to spatially separate the antihydrogen
production region from its storage region could show some advantages but a suitable
experimental scheme to achieve this has not yet identified. Because of its great interest also this
possibility remains under study.
Our experience and the data published in the literature show that charged particles stored in trap
in UHV or criogenic environments with fields having rotational symmetry are confined for time
longer that many hundreds or thousands of seconds. The time necessary to reduce the number
density by a factor two is used as a measure of the storage time.
According to the Athena results (M. Amoretti et al.,Phys. Lett. B, 2004 ) the typical value of the
storage time needed for the antihydrogen ingredients is of the order of minutes or less.
The rotational symmetry of the system ensures the angular moment conservation which, for a non
neutral cloud of particles, means that
ri 2 is constant (ri is the particles radius) and strongly
∑
i
constrains the cloud expansion.
The particle losses are due radial transport mechanisms across the magnetic field due to collisions
with the neutral background gas, small asymmetries in the fields or in the trap structure leading to
a breaking of the rotational symmetry.
The magnetic field gradients necessary to confine the neutral atoms break the rotational
symmetry and they could enhance the radial transport mechanism.
None tests concerning the storage time of charged particles have been performed until now in the
real experimental conditions needed to produce and confine anthydrogen, that is with uniform
magnetic field of the order of some Tesla and radial magnetic field gradients of the order of a
Tesla/cm. The only experimental results available are that obtained by the Berkeley group but
they do not cover the needed parameter range.
These experiments were performed with B=20-2000 Gauss, quadrupole gradients with maximum
value of 1 Gauss/cm and short (less than1 sec) particle storage time in absence of gradients.
Numerical and analytical calculations are very useful to find conditions ensuring the stability of
single particle trajectories (T.M. Squires et al., PRL 012121 (2001)) ;M. Rome’, R. Pozzoli, M.
Amoretti ECA 22C 1998 213) but plasma effects and radial transport mechanisms acting on
macroscopic scales are not easy to model. It is interesting to mention that the theoretical models
are not yet able to fully reproduce all the features of the experimental data about the radial
transport in standard symmetric Malmberg or Penning trap.
An experimental apparatus with magnetic fields having the right values can be realized in the
Genoa INFN laboratory using many equipments already present there (INFN property). By using
this apparatus the storage time and the radial transport of cold electrons plasma will be studied in
a trap where the radial gradients needed for antihydrogen trapping are added to the standard
uniform magnetic field used to store charged particles. Electrons are easily loaded in a trap in
conditions (number, density, temperature) covering the typical values of the positron plasma used
in the antihydrogen production experiments.
Protons could also be loaded in the trap to mimic the antiprotons behavior but in order to simplify
the apparatus, we propose to begin work with electrons only.
Radial quadrupoles (typical of the Joffe Pritchard trap) and higher order radial magnetic
multipoles are the configurations that we are planning to study. These magnetic fields will
confine antihydrogen in the radial direction. An axial gradient is also necessary to complete the
neutral particle trap.
Scheme of the apparatus
A drawing of the proposed experimental apparatus is shown in fig. 1
It includes a uniform horizontal superconducting magnetic field and its criostat (sc magnet
criostat and sc coil), an additional criostat (cold nose) inserted in the magnet bore, a cylindrical
trap having a section surrounded by permanent magnets, the electron source (filament) and the
imaging system (MCP/phosphor screen assembly).
Fig. 1
Superconducting magnetic field
A superconducting magnet with a horizontal room temperature bore having 150 mm diameter and
500 mm length producing a uniform magnetic field up to 3 Tesla is available (it was acquired by
the Genoa group in 1988 using the budget of the TRAP (commissione 2) experiment and it was
also used to test the trap system now installed in AThena).
Fig. 2 shows a plot of B/(3 Tesla) versus z (cm) from the central region of the bore (z=0) to the
border of the criostat (z=25 cm). In a region of about 200 mm length around the center and 25
mm radius the uniformity is better than 1% while in a region of 100 mm length it is better than
0.01%.
fig. 2
Criostat and vacuum
UHV is a key element for limiting the radial transport and reaching long storages time for
particles in traps. A criogenic environment easily ensures a very good vacuum.
A criostat which fits into the magnet bore is also available. Fig. 3 shows the drawing. The useful
diameter inside the criostat is 70 mm.
The liquid helium fills the space between the two inner cylinders cooling a region having the
same axial extent of the magnet bore. A bellow connects the cold region to the room temperature
external region.
We are working on the details on the drawing of the apparatus: if the presence of the criostat will
limit the performances of the system we could avoid using it. In this case, to reach the needed low
pressures (10-12 torr range), it will be convenient to cover all the inner surfaces of the apparatus
by a getter material activating at relatively low (around 100 degrees centigrade) temperature
developed at CERN by the Benvenuti group.
Fig. 3
Permanent magnets
We have compared the possibility to produce the necessary magnetic field gradients by using or
superconducting coils or permanent magnets and we have reached the conclusions that
permanents magnets offer a simple and low cost solution for this test apparatus.
The inner size of the bore within the criostat, the bore, is not suitable for the implementation of
additional superconducting coils aiming to the production of the necessary magnetic field
gradients. A better solution consists in using rare-earth permanent magnets with high remanence.
This kind solution can be implemented at lower costs with respect to that based on
superconducting coils and does not require any significant modification of the existing apparatus.
Rare-earth permanent magnets (RPM) are characterized by an almost linear demagnetization
curve. This allows for a quasi-ideal coupling of the magnetic energy in the region of interest. In
addition, the linear behaviour, which is not present in more conventional magnetic materials,
makes the computation of the field of a given magnet configuration, and consequently its design,
easier.
Important features of RPMs are the high remanence (~1 T and up to 1.4 T for samarium-cobalt
and neoodymium-iron-boron alloys, respectively) and the Curie temperatures (700 塡C and 300
° for SmCo and NdFeB alloys, respectively). RPMs usually occur in sintered bulks, which can
be machined with good precision (tolerances of the order of 0.1 mm or less). RPMs are available
from several companies (in Europe, for example, from Vacuumschmelze Hanau, Germany, or
IBS Magnet Berlin, Germany)
With respect to the test apparatus we plan to implement a neodymium-iron-boron RPM (Br = 1.4
T) cylindrical structure surrounding a section of the trap region. This would generate a
translational-symmetric magnetic field characterized by a multipole field on the radial directions
and an almost vanishing axial component.
Radial multipole field of order 2N are obtained by assembling M segments permanently
magnetized such that the magnetization of each segment advances azimuthally by an angle
(N+1)2 π/M with respect to a fixed coordinate system as fig 4 shows.
(K. Halbach, NIM 169 (1980) 1)
Fig. 4 shows a) radial axially invariant quadrupole realized by 16 elements and fig 4 b) shows a
sextupole with 24 elements. In our conditions the length will be 100 mm, the inner radius 13 mm
and the outer radius 34 mm. The inner radius should be as close as possible to the trap radius in
order to maximize the depth of the neutral particle trap under study.
In the figure some holes necessary for the trap mounting and for the trap cabling are also shown.
According to previous cited paper (and neglecting the presence of the holes) the field at a
distance r from the central axis is given, with very good approximation, by (assuming infinite
length)
B ≈ 1 .8 B r
r  rinner
1 −
rinner  router
 r
B ≈ 1.4 Br 
 rinner



2

 for the quadrupole

2
 rinner
1 − 2
 router

 for the sestupole

Being the trap radius 8 mm (see below) the neutral trap well depth (for antihydrogen) in the
radial direction is 642 mK with the quadrupole and 425 mK with the sextupole if NdFeB is
selected. The potential advantage of the sextupole is the lower absolute value of the non uniform
magnetic field in the plasma region compared with the quadrupole.
Operation of a quadrupole structure of this type inside an axial magnetic field of 1.5 Tesla has
been already demonstrated (W.Lou et al, Phys Rev. Secial Topics, Accelerators and Beams
(1998) Vol 1 022401). Demagnetization effects are negligible as long as the external magnetic
field component antiparallel to the magnetization direction is lower than the intrinsic coercive
field.
(It has been shown that the intrinsic coercivity was sufficient to limit the amount of
demagnetization to a few percent with 13kG reverse external field).
Detailed 3D calculations of the magnetic fields taking into account the real geometry and of the
mechanical forces acting in the system will be performed in collaboration with S. Farinon and P.
Fabbricatore.
Fig 4 a)
Fig 4 b)
We are in contact with the Vacumschelmtze company for the details of the system drawings.
Trap system
A disadvantage of the permanent magnets is the impossibility to switch them off. To compensate
for his aspect we have designed an apparatus where two trap regions can be distinguished: a
section where the magnetic field gradients are absent followed by one where the gradients are
present. Particles can be loaded in one region or in the other one or moved from one region to
second one and their behavior in the two different regions can be compared.
In fact, as fig 1 shows, a cylindrical 8 mm radius trap structure will be mounted inside the
criostat. Following the experience gained with the Athena apparatus, harmonic regions (Penning
trap) can be realized using a cylindrical structure by using 7 electrodes of proper lengths and bias
voltages.
In the 20 cm long region where the main magnetic field is uniform enough, we will mount two
harmonic traps: the first one will be inside the uniform magnetic field while in the second one the
gradients produced by the permanent magnets will also be added to the main magnetic field. The
necessary transfer electrodes will be included. All the electrodes will be realized in copper gold
plated. The following picture is a zoom of fig 1 around the trap region.
Harmonic regions
Cable box
Permanent magnets
Fig 5 : the details of the harmonic regions are not shown
Miniauture coaxial cables will carry the signals from and to every electrode. The cables will be
inserted inside a stainless steel structure vacuum tight and connected to a pumping system
independent from that pumping the trap region. This solution avoid that the outgassing of the
cable materials influences the vacuum in the trap region. Through small feedthroughs mounted in
the cable box shown in the previous figure, the cables reach every trap electrode.
Electron loading and manipulation
The electron source is a BaO cathode emitting a current of several tenths of microampere.
Electrons are loaded in a given trap region by properly shaping the trap electrode voltages and
allowing the cathode to emit current for a time interval of the order of ms or seconds.
By playing with the trap voltages, the primary electron accelerating voltages and the electron
source emission time, electron plasma with different initial conditions can be obtained.
The electron source will be mounted on a movable feedthrough in order to remove it from the
electrons path from the trap to the imaging system.
We are interested in plasma having a particle number ranging from 10**6 to some 10**9 and
density around 10**7-10**8 /cm**3 and radii of 1-2 mm.
In a few seconds following the loading time, the electrons cool themselves by radiation and,
because of the mutual Coulomb collisions, they reach a thermal equilibrium state with (ideally)
the same temperature of the ambient (4 Kelvin).
The electron cloud will be a non neutral cold (“zero temperature”) plasma whose behavior is well
known inside a standard Penning or Malmberg trap. In a Penning the plasma will form a cloud of
uniform density shaped like an ellipsoid.
This type of plasma will be loaded in the standard region without the magnetic gradients and here
its parameters (radial extent, axial extent, density, number of particle) will be measured in non
destructive way by detecting the plasma modes or in destructive way by dumping it on the
imaging system.
By using time varying voltages applied to the electrodes, the particles can be moved in the region
where the magnetic gradients are present and then moved back in the standard region to check
their parameters. In alternative the plasma can be directly dumped on the imaging system from
the neutral trap region.
We will compare the storage time, the expansion rate and the shape of the plasma stored in the
regions with and without magnetic gradients.
Electron detection
Electrons can be detected in non destructive way by recording the signals induced on the trap
electrodes by the particle motions. Collective oscillations having frequencies depending on the
density and plasma aspect ratio (that is the ratio between the axial and radial extent) are excited
by applying radiofrequency voltages to the electrodes. A clean theory (well confirmed
experimentally) exists linking the plasma mode frequencies to the aspect ratio and plasma density
for electron plasma stored in a Penning trap. The total number of electron is also obtained by
this nondestructive diagnostic (M. Amoretti et. Phys. Rev. Lett 91 055001 (2003); Phys.of
Plasmas 10 (2003) 3056 and reference therein).
A complete non destructive diagnostic is achieved by detecting the first two plasma axial modes:
the first one corresponds to a center of mass motion where the charged ellipsoid oscillates in the z
direction without changing its shape; the second mode is a quadrupole mode and it corresponds to
an oscillation of the aspect ratio.
We are routinely using this detection system in Athena (developed by the Genoa group).
We plan to install a detection system of this type.
No simple theory exists for the equilibrium shape and plasma modes in the trap with the magnetic
gradients under considerations.
A destructive diagnostic realized by a phosphor screen and a MCP will be installed in the room
temperature region immediately outside the criostat. Taking into account the magnification effect
due to the ratio of the magnetic field in the trap and the detection regions a phosphor screen with
42 mm active area will fulfill our need. A CCD camera located outside the vacuum region will
collect the phosphor light allowing the measurement of the cloud radial profile.
A microchannel plate (MCP) will provide the necessary multiplication factor .
The operation of MCP inside magnetic field of the order of a Tesla has been demonstrated:
generally a gain variation is measured when the MCP is placed in a magnetic field.
An important parameter is the angle between the channel axis and the magnetic field direction.
(H. Kickimi et al, NIM A 325 451 (1993), Y. Katsuki et al.,Rev. Scient. Instrum. 70 8 3319
(1999). Large angles (grater than 50 degrees) originate large gain reduction but the effect
estimated in our conditions can be largely tolerated.
The normalization factor necessary to know the total number of dumped electrons will be
obtained by using the MCP as a Faraday cup that is reading the signal collected by it using a high
impedance amplifier (without applying the MCP high voltage).
Pumping system
The criogenic trap region is in communication with the room temperature region. The outgassing
of the room temperature region will be one of the factors limiting the possibility to reach very low
pressure in the trap region. A pumping system made by a turbomolecular pump and by a ion
pump will be installed in the room temperature region. It could be convenien to cover the surfaces
remaining at room temperature by the getter materials previously mentioned.
The pressure will only be measured in the room temperature region.
Electronics and DAQ
The electronics and the data acquisition system include some custom boards developed by us,
some National Instruments boards installed in a PC and controlled by the Labview software and
some commercial devices. The development of the custom boards keeps the cost of the
electronics very low and optimizes its performances.
The electronics should include:
1) The trap polarization
About 20 electrodes have to be independently polarized with voltages ranging from about –60 to
60 Volts. The trap voltages can be static or time varying depending on the working conditions.
For instance time varying voltages are necessary to move back and forth the electrons from the
standard Penning trap region to the region where the magnetic gradients are present or to dump
the electrons.
The trap voltages will be provided by a custom board developed by us based on the use of 12bits
DAC followed by amplifiers. The DAC output value is computer controlled by a serial 7 lines
bus. The digital output of the arbitrary wave generation National Instruments board 5411 will be
used to control the DAC values.
We already completed the project of the polarization board including the files necessary to build
the printed circuits and to mount them.
2) Filament control
It is realized by a custom board coupled with the National Instruments board 6602 (Timer and
counter).
It will allow to bias the filament, to regulate the filament emission current and its emission time.
As before we already completed the project.
3) Fast pulses amplifier
Fast pulses (rise time of the order of tenths of ns, 100 ns length, several tenths of Volts
amplitudes) are necessary to efficiently dump the electrons.
We have designed fast amplifiers that will amplify the signal generated by the analog output of
the National Instruments 5411 board mentioned before. As before the project is ready to be
executed.
4) High impedance, low noise amplifier: it is needed to read the Faraday cup signal
5) Plasma mode detection
The plasma modes will be excited by applying a radiofrequency signal having controlled
frequency, amplitude and duration to one electrode of the harmonic trap and then reading the
particle induced signal versus time. The excitation frequency has to be swept around the expected
value looking for the maximum output signal.
« Æ
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Æ
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12 P Ionization limit
545 nm
1,3
7 P
1
7 S
7 3S
1
6 P
408 nm
3
6 P
121.5 nm
254 nm
1
6 S
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B
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l=1016nm
P=10mW
ECDL
l=1090nm
P=10mW
DPSS laser
l=532nm
P=10W
FA
P>5W
SHG
P>2W
l=508nm
PPLN or PPKTP
FA
P>5W
SHG
P>2W
l=545nm
PPLN or PPKTP
Ti:Sa
l=816nm
P~1.2W
SHG PPLN,
P>400mW
l=408nm
PPKTP or LBO
SHG
BBO
P>0.9W
l=254nm
DM
BSO
DM
BSO
Turbo pump
BSO
He buffer
LN2 trap
121nm
H spectrometer
Optics for Lyman-a optimization
RM
RM
Hg heatpipe
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l=972nm
l=486nm
OA
PBS
SHG
OI
PPLN or PPKTP
P>100mW
l=243nm
SHG
BBO
BSO
HWP
VCO
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servo lock
EOM
high finesse reference cavity @ 972nm
QWP
FP
vacuum
chamber
PBS
hydrogen spectrometer
high finesse cavity @ 243nm
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YFA980 Series:
High Power 980 nm Fibre Amplifier
Key features
n
n
n
n
Core-pumped at 925 nm by a
high power fibre laser
Output power up to 5 W
Device length below 1 m
High threshold for nonlinear
effects
Applications
n
Power amplifier for picosecond fibre lasers
Single frequency power amplifier
n
Frequency doubling
n
Description
High power 980 nm fibre amplifiers are based on Yb-doped
single clad fibres. The amplifier is core-pumped by either a single
mode 915 nm laser diode or a high power cladding pumped fibre
laser operating at 925 nm.
Because of high pump absorption at 925 nm and high gain at
977 nm the device length can be made as short as few tens of
cm thus making threshold for nonlinear effects very high. Such
amplifiers are especially suitable for applications where
amplifications of short pulses or narrow linewidth sources is
required
Typical Performance
Parameters
Unit
YFA980-0.2
YFA980-5
Operating wavelength range
nm
975 - 1120
975-1120
Central operating wavelength
nm
980
980
Input power range
mW
1-10
1-100
Minimum signal linewidth
kHz
10
10
W
0.2
5
Single mode LD
Single mode fibre laser
Saturated output power (Pin = 1 mW)
Pump source
Pump wavelength
nm
915
920
Output power stability
%
2
2
Power consumption, max
W
0.5
0.5
mm
150 x 200 x 37
TBA
kg
0.3
TBA
Dimensions (W x L x H)
Weight
Options
General Environmental Parameters
A wide variety of customized options
such as
Parameter
Unit
Min
Max
• operating wavelength
Operating
temperature
0C
5
40
Storage temperature
0C
-10
60
Humidity
%
0
95
• output power
• input power range
• linearly polarized output
are available on customer request.
Performance can be tailored to the
customer’s requirements
Warm up time
Cooling
min
5
Convectional Air-cooling YFA980-0.2
Forced air cooling YFA980-5
CAUTION: THIS IS CLASS 4 LASER PRODUCT AND USE OF CONTROLS AND ADJUSTMENTS OTHER THAN THOSE
SPECIFIED IN THE PRODUCT MANUAL MAY RESULT IN HAZARDOUS LASER RADIATION EXPLOSURE
Fianium – NewOptics UK
20 Compass Point, Ensign Way
Southampton SO31 4RA, UK
Tel: +44 2380 458776
Fax: +44 1420 561650
[email protected]
Fianium – NewOptics USA
Peter Chen
Tel: +1 949 378 2058
[email protected]
[email protected]
INVISIBLE LASER RADIATION
AVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO DIRECT OR SCATTERED RADIATION
MAX OUTPUT POWER: 10W
WAVELENGTH RANGE 900 nm TO 1120nm
Fianium
CLASS IV LASER PRODUCT
20 Compass Point
Saouthampton
UK
Information contained herein is deemed to be reliable and accura te. No responsibility is assumed for its use, nor for any infringement on the rights of
the others. Fianium reserves the right to change the design, specification etc of the products at any time without notice
YFA980 Series:
High Power 980 nm Fibre Amplifier
Key features
n
n
n
n
Core-pumped at 925 nm by a
high power fibre laser
Output power up to 5 W
Device length below 1 m
High threshold for nonlinear
effects
Applications
n
Power amplifier for picosecond fibre lasers
Single frequency power amplifier
n
Frequency doubling
n
Description
High power 980 nm fibre amplifiers are based on Yb-doped
single clad fibres. The amplifier is core-pumped by either a single
mode 915 nm laser diode or a high power cladding pumped fibre
laser operating at 925 nm.
Because of high pump absorption at 925 nm and high gain at
977 nm the device length can be made as short as few tens of
cm thus making threshold for nonlinear effects very high. Such
amplifiers are especially suitable for applications where
amplifications of short pulses or narrow linewidth sources is
required
Typical Performance
Parameters
Unit
YFA980-0.2
YFA980-5
Operating wavelength range
nm
975 - 1120
975-1120
Central operating wavelength
nm
980
980
Input power range
mW
1-10
1-100
Minimum signal linewidth
kHz
10
10
W
0.2
5
Single mode LD
Single mode fibre laser
Saturated output power (Pin = 1 mW)
Pump source
Pump wavelength
nm
915
920
Output power stability
%
2
2
Power consumption, max
W
0.5
0.5
mm
150 x 200 x 37
TBA
kg
0.3
TBA
Dimensions (W x L x H)
Weight
Options
General Environmental Parameters
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Convectional Air-cooling YFA980-0.2
Forced air cooling YFA980-5
CAUTION: THIS IS CLASS 4 LASER PRODUCT AND USE OF CONTROLS AND ADJUSTMENTS OTHER THAN THOSE
SPECIFIED IN THE PRODUCT MANUAL MAY RESULT IN HAZARDOUS LASER RADIATION EXPLOSURE
Fianium – NewOptics UK
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the others. Fianium reserves the right to change the design, specification etc of the products at any time without notice
Addendum n.3
CERN interest in, and support for, an experimental study of electromagnetic
field configurations able to confine the neutral antihydrogen atoms, as well
as its charged constituents.
R. Landua, M. Doser
E.P. Division – CERN
The CERN group is one of the backbones of the present ATHENA experiment. We
continue to be strongly interested in achieving the long term goals of the ATHENA
experiment as detailed in the original experimental proposal: high precision spectroscopy
of antihydrogen and studies of its gravitational interaction. We have come to the
conclusion that to achieve these goals, it is now crucial to pursue an intermediate R&D
programme on the development of a neutral antihydrogen trap.
The production of antihydrogen – as first established by the ATHENA experiment (M.
Amoretti et al., Phys. Lett. B 578 (2003) 23) - is based on mixing antiprotons into a
positron plasma. Most of the produced antihydrogen atoms are created within the first
few seconds of mixing. The energy distribution of such antihydrogen atoms is still being
investigated, but we assume that it is in the milli-eV regime. However, at present
antihydrogen atoms escape the trap volume and annihilate. To confine them, it would be
necessary to superimpose a neutral trap, e.g. a magnetic bottle. However, the magnetic
multipole fields of such bottles may lead to instabilities of the antiproton and positron
plasmas, and may therefore prevent recombination. It is therefore essential to study
possible field configurations to find a viable solution to this problem.
Once this milestone has been achieved, we are anticipating setting up a test experiment
here at CERN, which would incorporate these new technologies. This test setup would be
the prototype for a future antihydrogen experiment at the AD, incorporating the nested
and neutral trap, a more powerful positron accumulator, and provisions for precision laser
experiments.
We are therefore very interested in collaborating with the Genoa and Florence groups on
a comprehensive R&D programme, with the objective of developing the technology
needed for trapping and cooling antihydrogen. In the first stage, the CERN group will
give its support in the fields of control systems, data acquisition, analysis, and magnetic
field calculations. We also foresee to actively support the Genoa and Florence efforts
wherever it is helpful to them in other domains, such as ultra high vacuum technology or
surface treatments. We are in the process of preparing a common letter of intent to the
October session of the CERN SPSC (“Cogne meeting”), in which we detail the necessary
steps and milestones that must be met before a realistic proposal for high resolution
spectroscopy of antihydrogen can be considered. Our goal is to form a core - together
with the Genoa, Florence and Zurich groups - which will lie at the heart of a future
antihydrogen spectroscopy experiment.
Involvement of the group from Zürich University
in a future precision antihydrogen experiment
C. Amsler, C. Regenfus
Physik-Institut, Zurich University
Encouraging results have been achieved recently in antihydrogen production by the ATHENA
experiment. The development of a trap for simultaneously confining neutral and charged particles
in the same volume is the necessary next goal towards precision measurements with
antihydrogen. A neutral trap and a Lyman-α laser would lead to the storage and cooling of
antihydrogen atoms, hence would pave the road towards precision CPT tests or measurements of
the gravitational acceleration of antimatter. The R&D mentioned above will be done essentially in
the lab, e.g. by the Genova and Florence groups, using electrons and protons. A future experiment
on antihydrogen will obviously require antiprotons from CERN and some kind of imaging
detector similar to the one currently employed in the ATHENA apparatus, which is able to detect
simultaneously the annihilations of antiprotons and positrons (C. Regenfus NIMA 501(2003) 65). Its
high sensitivity to single annihilations allows in principle for the counting of single antiatoms and
could therefore play a key role in precision tests on trapped antihydrogen atoms.
About four years of R&D (C. Amsler et al. NIMA 480 (2002) 494) and construction work were
invested by the Zurich group on the current ATHENA antihydrogen detector. With the
aim of providing such a detection system the Zurich group is highly interested to be
strongly involved in a future antihydrogen experiment. We have the expertise to design
and construct such a device, as well as the necessary technical infrastructure and funding.
High precision antihydrogen spectroscopy and gravity measurements:
future prospects
Addendum n4 to the ATHENA2-R&D proposal to INFN
The production of low energy antihydrogen atoms opens the possibility to perform high
precision spectroscopy and gravity measurements on antimatter. Several experimental
difficulties have still to be overcome before these measurements will be possible and the
activity proposed with the name ATHENA2 R&D is addressing many of them.
Here we summarize the relevant numbers about the future perspectives.
A detailed drawing of an experimental apparatus able to produce, detect, confine, cool
antihydrogen and suitable to perform spectroscopy or gravitational measurements cannot
be completely defined until the results of the needed R&D are known. Here we refer to a
principle drawing of an apparatus where the best results obtained by the scientific
community working in this field
(http://athena.web.cern.ch/athena/) (http://hussle.harvard.edu/~atrap/)
are taken into account together with the developments in progress.
The accumulation and cooling of antiprotons and positrons in two separate regions of the
apparatus used by ATHENA has several advantages with respect to the ATRAP scheme
and it will be maintained in the conceptual drawing of the future apparatus.
We will distinguish in the ideal apparatus an antiproton catching and cooling region, a
positron accumulation region, a recombination region and eventually a measurement
region.
ANTIPROTONS
Antiprotons have to be captured and cooled by electrons in a Penning-Malmberg type
trap.
The Antiproton Decelerator (AD) at CERN now delivers
N = 2-3 107 antiprotons
E = 5 MeV
Bunch length= 300 ns
Cycle duration= 90 sec
From AD energy to submeV energy:
Energy reduction from 5 MeV to a few KeV: foil absorber
Capture efficiency : 10-4/(KeV * AD shot)
Trap depth: 5-10 KeV
B= 3 Tesla
Trap temperature: 4.2 Kelvin
Antiprotons in trap/shot= 104
Electron cooling in trap: total cooling time of 30-40 sec are routinely achieved using
several 107 or 108 electrons with density of the order of 108/cm3
Antiproton final energy: eV or submeV depending on the experimental procedure.
Stacking of several antiproton shots in the catching trap is routinely achieved.
Using a RFQD following AD, the ASACUSA collaboration reported the capture of more
than 106 antiprotons in a trap. Following this experience, a working group made by the
people working on the AD machine and the users is proposing the construction of a small
ring to be inserted in the AD hall. This ring (ELENA) will provide to the users 2-3 107
antiprotons with energy of 100KeV or 5 KeV depending on the details of the drawing in
bunch of 300 ns.
Post 2006 perspective at CERN:
Energy reduction from 5 MeV to the KeV range: ELENA
Capture efficiency = 50% (this value has been obtained by ASACUSA with a 100 KeV
beam)
Antiprotons in trap/(AD shot) : 107
Electron cooling in trap: some tens of seconds using about 1010 electrons with density 109
/cm3
B=3 Tesla
Trap temperature = 4.2 Kelvin
About 107 cold antiprotons /(AD shot) will be available for recombination with positrons.
Post 2010 -2012 perspective at GSI:
A facility called FLAIR (Facility for Low-energy Antiproton and Ion Research) has been
proposed by a large scientific community at GSI. It will deliver low energy (300 KeV)
antiprotons with an expected intensity higher than the AD one by more than an order of
magnitude.
POSITRONS
The positron accumulation scheme developed by the C. Surko group at S. Diego and used
by the ATHENA collaboration shows to be very efficient. The technology is well tested
and a complete apparatus is also commercially available from the company First Point
Scientific.
In ATHENA:
106 e+/sec are accumulated in the positron accumulator
108 e+ are accumulated in 200 sec.
Transfer efficiency from the accumulator to the recombination region: 50%
Stacking of positrons in the recombination region has been demonstrated to be linear up
to more than 20 positron shots.
The mentioned company delivers positron accumulation apparatus having performances
10 times higher than the previous one.
Then more than 5 108 positrons every 200 sec can be considered to be available for
recombination.
The positrons radius and density can be controlled by the rotating wall method: radii
lower than 1 mm and density higher than several 109/cm3 are easily obtained.
RECOMBINATION REGION
The recombination region must allow the confinement of positrons, antiprotons and the
neutral antihydrogen in the same volume. It will be made by a nested trap for the charged
particle confinement superimposed with a trap for antihydrogen. This will be made by a
radial multipolar magnetic gradient superimpose to an axial magnetic bottle. The details
of the magnetic trap are under investigations (this is one of the goals of the proposed
R&D).
n
r
The radial magnetic field will be Br = Br 0   where n=1 in case of a quadrupolar
 rw 
radial field as in the Joffe- Pritchard case, n=2 for a sextupole field and so on. rw is the
nested trap radius . Other choices are possible. The axial magnetic field will include the
uniform magnetic field needed for the charged particles and the axial gradient needed for
the antihydrogen confinement.
The neutral trap magnetic field gradient can be realized or by permanent magnets or by
superconducting coils.
Permanent magnets offer the possibility to design an apparatus where a cryogenic
vacuum chamber is in communication with a room temperature vacuum chamber
maintaining the conditions for the radial confinement of the antihydrogen. This allows to
transport cold antihydrogen from the production region to a measurement region suitable
for high precision laser experiment.
On the others hand, superconducting coils allow to perform the adiabatic cooling
procedure that in principle could allow to get very low energy values (see later).
Nested trap radius
Neutral trap depth
Axial magnetic field
Br0
Trap Temperature
Positron temperature
Pressure
= about 1 cm
= 0.5 - 1 Kelvin
= 1-3 Tesla
= about 1 Tesla
= 4.2 Kelvin or 0.5 Kelvin
= 4.2 or 0.5 Kelvin
<<10-12 mbar
ANTIHYDROGEN PRODUCTION
In the conditions of the ATHENA experiment 17% of the antiproton recombines in 70
secs of mixing time. No particular optimization has been performed to reach these results.
Extrapolating this number we can expect to produce more than 106 antihydrogen atoms in
about 1 minute with a repetition time of about 3 minutes at AD with the upgraded
deceleration stage.
Antihydrogen internal state distribution
Antihydrogen trapping for macroscopic times requires that the atoms are in the 1S state.
The internal state population of the produced antiatoms is under investigation. ATRAP
(which uses the field ionization method to detect the antihydrogen formation) can only
detect atoms having the quantum number higher than 50-60.
On the opposite, ATHENA detects antihydrogen by reconstructing the space and time
coincidence of the positron and antiproton annihilation on the trap wall. So the detected
antiatoms must not be ionized by the electric fields present in the trap and they must
reach the trap wall and annihilate. This means that the atoms detected in ATHENA must
have n<60.
Others ATHENA data suggests that the low n state could be predominantly populated but
a final answer has still to be given.
Laser stimulated recombination is going to be performed in ATHENA in 2004. This
process is expected to increase the formation rate and moreover, to produce antiatoms in
in the fundamental state. (The laser stimulated process will produce antiatoms in the state
with n=11 which rapidly decay towards the fundamental state).
Antihydrogen energy and number of confined antiatoms
An antihydrogen atom will be captured in the neutral trap if it is produced with an energy
lower than the trap depth (0.5 or 1 Kelvin) and if its magnetic moment is antiparallel to
the magnetic field direction (low field seeker).
The energy of the low n antihydrogen atoms has not yet be measured.
ATHENA measured the emission direction of the produced of the antiatoms which
results to be almost isotropic.
In addition the ATHENA data indicate, as expected, that antiprotons injected over the
positrons cloud with an energy of few tenths of eV interact with positrons until a low
relative velocity is reached. Then, after this cooling time (a few tens of ms) the
antihydrogen production begins. The energy of the antihydrogen atoms is of course
determined by the antiprotons energy. It is still under investigation the role of the
dynamical factors influencing the antihydrogen final energy: the interplay between
cooling and recombination in the plasma and moreover the effect of the positron plasma
rotation. Confining antiprotons close to the trap axis (using the sideband cooling
technique) will be essential if the energy due to the plasma rotation results to be
important.
The maximum number of confined antiatoms can be estimated assuming that they are in
the fundamental state and that the antihydrogen energy is only due to the positron
temperature.
The following table summarizes the number of produced and trapped antihydrogen atoms
using the hypothesis mentioned above. The fraction of the low field seeking atoms is
assumed 50%.
trapped pbar/AD
shot
e+
Temp.
1.E+04 4.2 K
1.E+07 4.2 K
1.E+04 0.5 K
1.E+07 0.5 K
Hbar producedAD
shot
2.E+03
2.E+06
2.E+03
2.E+06
trapped Hbar trapped Hbar
1 Kelvin depth 0.5 Kelvin depth
75
75000
737
737000
28
28000
420
420000
1S-2S DOPPLER-FREE TWO-PHOTON SPECTROSCOPY IN THE TRAP
The 1S-2S two-photon transition is extremely narrow: its quality factor Q is
ω0
≈ 2 1015 when
γN
γ N = 2π 1.1rad / sec .
Q=
the linewidth is limited by the natural decay lifetime
A measurement of the center line frequency with a 0.1% precision for hydrogen and
antihydrogen offers the possibility to perform a CPT test with 1018 sensitivity if the
linewidth is only due to the natural lifetime.
The frequency of the 1S-2S transition in hydrogen has been measured with a precision of
about 1014 by Hansch con dieresi et. al using a cold hydrogen beam. Using hydrogen
trapped in a magnetic trap a resolution of 1012 has been reached at MIT. Doppler-free
two-photon absorption at 243 nm is used in both cases.
Several factors contribute to the shift and broadening of the frequency spectrum.
For antihydrogen confined in the magnetic trap the Zeeman shift is one of the dominant
factors.
δ υ = (α 2 µ B B ) /(8h ) ≈ 9 10 4 B(Tesla ) Hz
Because an atom with energy E in the trap is confined in the region where B ≈ E / µ B
there will be a broadening of the line of the same order of magnitude.
The transit time broadening due to the fact that the atoms spend a limited time inside the
T (K )
2 KT 1
≈ 105
Hz here w0 is the radius of the laser
laser beam region is δ =
m 4πw0
w0 ( µm )
beam.
Assuming w0=400 micron,T=1- 0.5K this is lower than the Zeeman effect.
Motional averaging effects are not taken into account here.
The typical excitation and detection cycle could be the following:
• after mixing positrons and antiprotons for a proper time (sec or few tens of sec)
the charged particles are removed and the trap voltages are switched off.
•
•
•
•
•
•
•
A 243 nm laser beam is shined along the trap axis for a time T and it is
retroreflected creating a standing wave.
Antihydrogen atoms passing through it undergo Doppler free or Doppler sensitive
excitation from the 1S to the 2S state.
A quenching electric field of about 10V/cm is applied mixing the 2S state with the
2P state.
The 2P state rapidly (the lifetime is 1.6 ns) decays towards the 1S state. A large
fraction of the atoms has the wrong spin polarization and it gets untrapped.
Untrapped antihydrogen atoms annihilate and they are detected with efficiency
close to 1 by a antihydrogen detector surrounding the recombination region
(similar to the ATHENA one).
The cycle is repeated sweeping the laser frequency to build a spectrum.
After using most of the atoms the antihydrogen production cycle starts again.
The rate of the Doppler-free two-photon transition is
I 2 (W / cm 2 )
Hz
where ∆υ
is the width of the resonance line and I
4π
∆υ ( Hz )
(W/cm2) is the laser light intensity in the focus.
The ionization of the atoms in the 2S state due to the absorption of the 243 nm photons
cannot be ignored. The ionization rate is
Γ1S −2 S = 85
Γion = 9.7 I (W / cm 2 )
Hz
1
and using the Zeeman effect
Γion
as a measure of the linewidth, then the number of counts N count per laser pulse is
Assuming that laser duration pulse T is of the order of
I (W / cm 2 )
≈ 210 − 4 N * where N* is the number of atoms
B(T )
in the trap passing through the laser beam and the values of I=100 W/cm2 and B=3 Tesla
have been used.
N* is expected to be very small with respect to the total number of trapped atoms.
By accumulating statistics over many antihydrogen production cycles a resolution
∆υ
of the order of 1012 could be in principle obtained with 10000 counts if all the
tot
N count
systematic effects are well understood and controlled.
The high detection efficiency of the antiatoms has to be compared with the 10-6 detection
efficiency typical of the trapped hydrogen experiments where the Lyman alpha photons
emitted in the 2P-1S transition are detected.
The count rate and the final precision of the measurement are largely improved if cooling
of the antihydrogen atoms can be realized by a suitable Lyman alpha laser source.
The final temperature in this case is about 1 mK and the atoms will be confined in a
region close to the trap axis where the radial magnetic field value is of the order of 10-3
Tesla. The axial magnetic field can be reduced after the dump of the charged particles to
about a similar value by reducing the current in the superconducting coils.
expected to be N count = 7 10 −6 N
The Zeeman effect is only 100 Hz in these conditions.
In addition it has to be taken into account that after cooling the antiatoms can be moved
from the production region and captured in a measurement region with low magnetic
fields and inside an environment more suitable for high precision spectroscopy.
Using 1mk hydrogen atoms a linewidth of 1Hz is expected in an atomic fountain
experiment (R.G. Beausoleil,T. Hansch Phys. Rev A 33 3 1661 (1986)).
GRAVITY MEASUREMENTS
The precise measurement of the 1S-2S transition frequency for hydrogen and
antihydrogen in two regions where the gravitational potential changes by the amount
∆U provides a test of the validity of weak equivalence principle for antimatter.
∆ω ∆U
For any clock the validity of WEP means that
= 2 where ∆ω is the difference of
ω
c
the clock frequency in two space-time points where the gravitational potential change by
∆U .
The eccentricity of the Earth’s orbit around the Sun produces a change of the Solar
∆U
potential 2 = 3 10 −10 during a three months period. By measuring the 1S-2S transition
c
of hydrogen and antihydrogen with 10-18 precision a WEP test with precision better than
10-8 could be achieved.
Also the comparison of the frequencies of the 1S-2S transition in hydrogen and
antihydrogen could provide a WEP validity tests if the CPT invariance is assumed.
(see for instance R. Hughes Hyperfine Interactions 76 (1993) 3)
In fact the validity of CPT ensures that the frequency of a clock and an anticlock are the
same at infinity in absence of gravity. The boundary condition that the gravitational
potential U is zero at infinit must be assumed. Then if the anticlock violates WEP there
ϖ −ω
will be an offset between the two frequencies related to U :
≈ (α − 1) U c 2
ω
Here α is a parameter describing the anticlock’s WEP violation.
Using ω = m( K 0 ) / c 2 and ω = m( K 0 ) / c 2 a limit on WEP violation on the Kaon system
of 2.5 10-18 has been obtained (M.Charlton et al, Phys. Rep 241 n2 1994) assuming that
the inverse square law holds up to super galactic distance scales and using
U (sup ercluster ) / c 2 = 3 10 −5 . Using the same hypothesis and assuming a 10-18 sensitivity
in the hydrogen and antihydrogen 1S-2S transition then a WEP test with 10-12 sensitivity
would be allowed.
Laser cooling of antihydrogen is essential to get very cold antihydrogen atoms on which
direct gravitational effects can be observed.
Assuming to have antihydrogen with mK energy then direct gravity measurements can be
performed by studying the time of flight distribution of atoms launched vertically from a
trap.The radial motion can be confined by a magnetic radial multipole axially invariant.
Because the initial velocity cannot be measured, the information about g has to be
extracted from the study of the shape of the time of flight distribution. The arrival time is
obtained by the annihilation signal and the detection efficiency is close to one. For a
2L
given flight height L there is cutoff time t c =
beyond which none atom will be
g
detected. The shape of the time of flight distribution around the cutoff time can be fitted
to get the gravity acceleration g. For a 50 cm long drift tube the cutoff time is 319.4 ms
As a reference about 104-105 antiatoms coming from a Maxwell type distribution having
few mk as mean energy have to be launched to get a sufficiently high statistics in the time
of flight distribution around the cutoff time.
Measurements of this type could allow to get accuracy of the order of 10-3.
Higher precisions could be obtained by using the atom interferometric methods:
sensitivity of the order of 10-9 or higher can be achieved if the antiatoms can be cooled
below the 1.3 mK value due to the Doppler limit of the Lyman alpha laser cooling.
A 10-9 sensitivity in the g value has already been experimentally obtained with caesium
atoms launched in a atomic fountain with atom energy of about 1 µK
(A. Peters et al, Nature 400 1999 849)
Cooling antihydrogen below 1 mK requires the development of new methodologies. The
evaporative cooling used in the hydrogen experiments is not very promising due to the
low number and low density of the confined atoms.
A possibility is offered by the use of a procedure used also for charged particles stored in
Penning traps which work for single particles and it is not based on particle-particle
collisions. The procedure is the adiabatic cooling and it is connected with the
conservation of the action integral valid for a system performing a periodical motion
where the frequencies are adiabatically changed.
To illustrate the principle of the method let us consider as reference an antihydrogen atom
radially confined by a sextupole magnetic field (a similar discussion can be done for the
axial motion) at the end of the laser cooling process. Its energy Ei is about 1mk and it is
confined at a distance ri from the center. Its energy is related to the radial magnetic field
ri 2
by Ei = µ B Bri 2 .
rw
The antiatom is moving with a frequency proportional to
Bri . By adiabatically reducing
the magnetic field from Bri to Brf the ratio between the energy and frequency remains
constant:
Ei
Bri
=
Ef
Brf
. By reducing the radial magnetic field each antiatom get colder
and, at the same time, its oscillation amplitude increases following
Bri ri 2 = Brf r f2 or,
1
 Bri  4
 r.
in equivalent way, r f = 
B  i
 rf 
By using Bri ≈ 1Tesla , ri ≈ 400 µm and rw = 1 cm if we accept a final radius of 0.5 cm
(one half of the trap radius) then Brf ≈ 410 −4 Tesla and the final antiatoms energy will be
a few µK .
CONCLUSIONS
A detailed description of the experimental setup needed to reach the mentioned values is
beyond the goal of this report and of the activity that we are proposing.. The complete
feasibility of experiments of the type described here has still to be demonstrated. A big
R&D effort is needed. The proposed R&D is devoted to study the trapping and cooling of
the antihydrogen and these are two milestones that have to be reached regardless of the
details of the final apparatus. The high precision spectroscopy and gravity measurements
represent our long term challenging goal..
Preventivi di spesa ATHENA 2 R&D:
sorgenti laser per raffreddamento e
manipolazione atomica, e
spettroscopia ad alta risoluzione
March 10, 2004
Questo documento riguarda i preventivi di spesa della proposta di R&D
per lo sviluppo di strumenti e tecniche per lo studio di atomi di anti-idrogeno,
in particolare riguardo le tecniche di raffreddamento e di spettroscopia da
applicare ad atomi di H̄ successivamente alla ricombinazione. La proposta
di ricerca si articola su tre anni, per ciascun anno sono riportati gli obiettivi
prefissati ed i preventivi di spesa. Nel budget della proposta compare anche il
costo di allestimento del laboratorio che verrá allestito a Firenze per ospitare
questo R&D. I costi sono indicati IVA inclusa.
1
Primo anno
Nel corso del primo anno si intende realizzare il sistema di sorgenti laser
ad alta potenza che verranno utilizzate per generare radiazione Lyman-α
tramite four-wave mixing su vapori di mercurio. Si propone di realizzare un
sistema basato su amplificatori a fibra ad alta potenza duplicati o quadruplicati in frequenza. Questo permette di ridurre i costi, realizzare un sistema
piú flessibile per le esigenze sperimentali ed affidabile, attraverso un limitato
investimento di tempo. Parallelamente si intende realizzare un fascio atomico di idrogeno raffreddato da criostato. Questa sorgente verrá impiegata per
caratterizzare spettralmente le sorgenti laser sviluppate, e verificare nuovi
tecniche di raffreddamento laser sul’idrogeno.
1
Costi:
• tavolo ottico: 12 kE
• oscilloscopi, generatori di corrente-tensione, sorgenti RF, strumentazione
da laboratorio: 40 kE
• laser Ti:Sa ad anello: 100 kE
• pompa per Ti:Sa: 100 kE
• amplificatore a fibra 1016 nm: 60 kE
• amplificatore a fibra 1090 nm: 25 kE
• diodi laser ed ottiche di iniezione per i due amplificatori a fibra: 30 kE
• ottiche e cristalli per 4 stadi di duplicazione di frequenza: 60 kE
• misuratore di lunghezza d’onda ottica: 18 kE
• sistema a fascio atomico con criostato: 80 kE
• materiali di consumo: 20
• missioni nazionali ed internazionali: 25 kE
Totale preventivo primo anno: 570 kE
2
Secondo anno
Nel corso del secondo anno verrá studiato il processo di four-wave mixing su
mercurio atomico per produrre luce Lyman-α con le sorgenti laser realizzate
il primo anno. Si costruirá un apparato da vuoto per l’interazione FWM e
si studieranno vari approcci per ottimizzare la conversione non-lineare. Per
migliorare l’efficienza di conversione si proverá anche ad aumentare il campo
efficace sul mezzo non-lineare tramite cavitá risonanti. Verrá realizzata una
sorgente laser per spettroscopia di precisione sulla transizione 1S-2S. Come
per le sorgenti laser Lyman-α, anche in questo caso la sorgente sará basata su
un diodo laser di bassa potenza amplificato e quadruplicati in frequenza. Il
diodo é affinato spettralmente su una cavitá ad alta finezza ultra-stabile. Un
2
laser impulsato femtosecondo stabilizzato in fase verrá assemblato per con il
duplice scopo di stabilizzare i tre laser di pompa per la sorgente Lyman-α, e
di fare misure accurate di frequenza ottica per la spettroscopia di precisione
sulla transizione 1S-2S.
Costi:
• cella da vuoto per FWM su mercurio atomico: 15 kE
• rivelatori di efficienza di conversione: 20 kE
• stazione di pompaggio: 10 kE
• laser femtosecondo stabilizzato in fase: 100 kE
• laser di pompa per laser femtosecondo: 100 kE
• amplificatore 1S-2S: 60 kE
• diodi laser ed ottiche di iniezione dell’amplificatore: 15 kE
• ottiche e cristalli per 2 stadi di duplicazione di frequenza: 30 kE
• cavitá ad alta finezza ultra-stabile: 20 kE
• componenti ottici ed elettronici di aggancio alla cavitá: 20 kE
• materiali di consumo: 15
• missioni nazionali ed internazionali: 27 kE
Totale preventivo secondo anno: 432 kE
3
Terzo anno
Nel corso del terzo anno verranno investigati nuovi meccanismi di raffreddamento laser per l’idrogeno atomico. Questo implica la realizzazione di
un fascio rallentato (con Zeeman slower) e molto probabilmente uno stadio
di melassa 2D. Alla sorgente atomica verrá applicato un sistema da vuoto
adatto per questo tipo di manipolazione laser. Questa parte verrá disegnata tenendo conto del fatto che la radiazione Lyman-α viene assorbita in
aria. La sorgente Lyman-α verrá modificata in modo da fornire anche la
3
radiazione di ripompaggio ottico per impedire l’accumulo degli atomi nel
sottolivello iperfine sbagliato. Per questo si duplicherá una delle tre sorgenti
di pompa Lyman-α, stabilizzata con un offset di frequenza pari alla struttura iperfine del livello fondamentale, da accoppiarsi simultaneamente alla
cavitá di FWM. Il campione atomico raffreddato verrá impiegato per fare
spettroscopia ad alta risoluzione sulla transizione 1S-2S
Costi:
• sistema da vuoto per raffreddamento laser di H: 30 kE
• ottiche per manipolazione laser: 30 kE
• sorgente laser per ripompaggio iperfine: 75 kE
• materiali di consumo: 10
• missioni nazionali ed internazionali: 27 kE
Totale preventivo terzo anno: 172 kE
4
Subject: UVlaser&antiidrogeno
Date: Tue, 29 Jun 2004 13:01:16 +0200
From: Flavio Vetrano <[email protected]>
Reply-To: [email protected], [email protected]
Organization: Istituto di Fisica
To: Francesco Ronga <[email protected]>
Caro Francesco,
ho seguito, se pure non in dettaglio, l'iter del progetto ATHENA2-R&D:
infatti, pur non essendo parte in causa, vedevo presente in esso alcuni aspetti di estremo
interesse anche per un settore in via di sviluppo apparentemente molto lontano e che
incomincia ad avere sempre piu' interesse scientifico in ambito internazionale. Mi
riferisco alla possibilita' di costruire rivelatori per onde gravitazionali utilizzando
interferometria atomica.
Come gia' dimostrato in altre situazioni, un modo per ottenere beam splitter (o specchi)
per atomi e' l'interazione elettromagnetica di dipolo su atomi selezionati in velocita': tutto
il processo spazialmente sviluppato su gradi di liberta' esterni e' controllato (ivi compresa
l'interferenza nel decadimento) da gradi di liberta' interni (per un semplice modello a due
stati, l'eccitazione e la diseccitazione si accompagnano biunivocamente con l'impulso
spaziale assorbito o emesso che consente di avere un interferometro geometricamente
definito). Il punto cruciale e' che per raggiungere una apprezzabile sensitivity (shot noise
limited) e' necessario avere atomi (o molto veloci; o, al contrario, estremamente lenti) a
cui trasferire un grande impulso trasverso.
In tutta questa fisica (quindi non solo la GW detection tramite interferometria atomica,
ma piu' in generale nella trasposizione dell'ottica gaussiana per fotoni ai pacchetti d'onda
atomici, preferibilmente di H) il ruolo cruciale per raggiungere le prestazioni utili e'
rappresentato dalla sorgente laser per trasferire impulsiche energeticamente (e tutti i
primi calcoli lo dimostrano se utilizziamo l'atomo in prima battuta migliore, e cioe' l'H)
vanno a cadere nel campo delle Ly-alfa con alta densita' di potenza. Per questo motivo
ritengo di estremo interesse la possibilita' di sviluppare una facility laser in questo campo
(cw, necessariamente: impulsive ad alta potenza sembrano gia'esistere, ma non sono
adatte) avviando un idoneo progetto di R&D.
Sottolineo che, come altri laboratori esteri, Firenze e' gia' in fase di studio sia
sull'interferometria atomica (gruppo di Guglielmo Tino), sia su GW detection
interferometrica (fotoni e pacchetti d'onda atomici) con il mio gruppo: una facility laser
quale quella pianificata per il progetto antiidrogeno avrebbe la piu' ampia utilizzazione in
tutto questo nuovo settore.
Sperando che il progetto di R&D abbia un seguito, e disponibile ovviamente a meglio
caratterizzare la sua utilita' nel campo che ti ho accennato, i piu' cordiali saluti
Flavio
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
Rapp. Naz.: Gemma Testera
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In KEuro
ANNI
Missioni Missioni
FINANZIARI interne estere
2005
2006
2007
TOTALI
Mod EC./EN. 6
13,0
13,0
13,0
26,0
26,0
26,0
39,0
78,0
Spese
Materiale
Affitti e
Materiale Costruzione
Trasporti e
di
di
manutenzione inventariabile apparati
facchinaggi
calcolo
consumo
175,5
415,0
78,5
150,0
275,0
90,0
90,0
130,0
90,0
258,5
0,0
0,0
0,0
820,0
415,5
TOTALE
Compet.
708,0
554,0
349,0
1611,0
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
FI
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Guglielmo Tino
Gruppo
2
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
1
2
3
4
5
6
7
8
Qualifica
Affer.
RICERCATORE Dipendenti
Incarichi
al
%
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
AsRic
P.C.
Dott.
I.N.F.M.
Dott.
P.A.
R.U.
P.O.
Cacciapuoti Luigi
Drullinger Robert
Fattori Marco
Ferrari Gabriele
Poli Nicola
Prevedelli Marco
Ricci Leonardo
Tino Guglielmo M.
Numero totale dei ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
2
2
2
2
2
2
2
2
30
40
20
30
30
50
50
50
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
N
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Annotazioni:
mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla
disponibilità di personale e attrezzature
Mod EC./EN. 7
0
0
%
Collab.
Assoc. tecnica
tecnica
8 Numero totale dei Tecnici
3 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
N
TECNOLOGI
(a cura del responsabile locale)
0
0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Gemma Testera
Gruppo
2
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
1
2
3
4
5
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
AMORETTI Marco
CARRARO Carlo
LAGOMARSINO Vittorio
TESTERA Gemma
Ric.
ZAVATARELLI Sandra Ric.
AsRic
AsRic
P.A.
Numero totale dei ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
3
3
2
2
2
%
60
60
70
50
50
Qualifica
Incarichi
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
%
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
0
0
N
N
Cognome e Nome
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo
Art. 15
Collab.
tecnica
%
Assoc.
tecnica
1 SOBRERO Giuliano CTer.
33
5 Numero totale dei Tecnici
2.9 Tecnici Full Time Equivalent
1
0.33
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
TECNOLOGI
mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla
disponibilità di personale e attrezzature
Il programma presentato in Consiglio di Sezione è consistente con il numero di persone interessate, gli spazi e le
attrezzature a disposizione.
Mod EC./EN. 7
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
Rapp. Naz.: Gemma Testera
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2005
Data
completamento
Descrizione
dec 2005
Studio sperimentale sulla stabilita' di un plasma di elettroni
in trappola di Penning con un campo magnetico multipolare sovrapposto
dec 2005
modifiche apparato per effettuare test di confinamento simultaneo di protoni ed
elettroni in configurazioni di campi che realizzano il confinamento di atomi neutri.
dec 2005
completamento del progetto e ordini laser per sorgente lyman alpha
costruzione fascio di idrogeno
Mod EC./EN. 8
(a cura del responsabile nazionale)
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