ATHENA実験

AD-1実験としても知られるATHENAは、ジュネーブのCERNの反陽子減速装置で行われた反物質研究プロジェクトでした。2002年8月、 Nature誌に報告されたように、50,000個の低エネルギー反水素原子を生成した最初の実験でした。^{[1] [2]} 2005年にATHENAは解散され、研究チームの元メンバーの多くはその後のALPHA実験とAEgIS実験に従事しました。

ATHENA 装置は、反陽子捕獲トラップ、陽電子蓄積装置、反陽子/陽電子混合トラップ、反水素消滅検出器の 4 つの主要サブシステムから構成されています。実験で使用されたトラップはすべて、軸方向の磁場を使用して荷電粒子を横方向に閉じ込め、一連の中空円筒電極を使用して荷電粒子を軸方向にトラップするペニングトラップのバリエーションです。捕獲トラップと混合トラップは互いに隣接しており、超伝導ソレノイドからの 3 T の磁場と同軸になっています。^{[3] [4]}

陽電子蓄積装置には、磁場強度0.14テスラのソレノイドを備えた独自の磁気システムがありました。超伝導磁石のボアにある別の極低温熱交換器は、捕獲トラップと混合トラップを約15 Kに冷却しました。ATHENA装置は、特に装置に大量の陽電子を導入する際に実験の柔軟性を可能にするオープンなモジュール設計を特徴としていました。 ^{[5] [6]}

キャッチングトラップは反陽子を減速、捕獲、冷却し、蓄積する。反陽子を冷却するために、キャッチングトラップにはまず3 × 108^個の電子を3テスラの磁場でシンクロトロン放射によって冷却する。通常、ADは実験には、運動エネルギー 5.3 MeV、パルス幅 200 ns の反陽子2 × 10 ^{7 個}が 100 秒間隔で投入された。反陽子は薄い箔で減速され、パルス電場を使用して捕捉された。反陽子はエネルギーを失い、クーロン相互作用によって冷たい電子と平衡状態になった。電子は反陽子と陽電子が混合される前に放出された。各 AD ショットは、約相互作用実験用の3 × 103^個の冷たい反陽子。^[7]

陽電子蓄積装置は、放射性物質から放出された陽電子を減速、捕捉、蓄積します（1）。4 × 10 ⁹  Bq ²² Na）。300秒間蓄積すると1になります。5 × 108^個の陽電子のうち50%が混合トラップに送られ、そこでシンクロトロン放射によって冷却された。^[8]

混合トラップは、入れ子になったペニングトラップの軸方向電位構成を持ち、反対の電荷を持つ 2 つのプラズマが接触することを可能にしました。ATHENA では、軸方向プラズマ振動を励起および検出することで、球状陽電子雲を特徴付けることができます。一般的な条件は次のとおりです。7 × 10 ^{7 個の}陽電子が貯蔵され、半径は 2 ～ 2.5 mm、長さは 32 mm、最大密度は 2 です。5 × 10 ⁸  cm ⁻³。反水素消滅検出器は、トラップ外径と磁石の穴の間に、混合領域と同軸に配置されました。

この検出器は、中性反水素原子が電磁トラップから脱出してトラップ電極に衝突したときに、反陽子と陽電子が時間的および空間的に同時に消滅することを検出することで、反水素生成の明確な証拠を提供するように設計されました。反陽子は通常、少数の荷電または中性のパイ中間子に消滅します。荷電パイ中間子は、両面の位置感度シリコンマイクロストリップの2層によって検出されました。両方の層を通過する荷電粒子の経路を再構成することができ、2つ以上の交差するトラックにより、反陽子消滅の位置、つまり頂点を決定できました。頂点決定の不確実性は約4 mmで、磁場内の荷電パイ中間子の軌道の測定されていない曲率によって支配されています。時間的な一致ウィンドウは約5マイクロ秒でした。相互作用領域の立体角カバレッジは、4πの約80％でした。^[9]

陽電子が電子と消滅すると、2 個または 3 個の光子が発生します。陽電子検出器は、16 列で構成され、各列には 12 個のシンチレーションする純粋なヨウ化セシウム結晶が含まれています。これは、常に連続して放出される 2 つの 511 keV 光子からなる 2 光子イベントを検出するように設計されています。検出器のエネルギー分解能は、511 keV で最大半値幅の 18% であり、単一光子の光子ピーク検出効率は約 20% でした。検出器全体の最大読み出し速度は約 40 Hz でした。補助検出器には、磁石の外部にある大きなシンチレータ パドルと、入射反陽子ビームがキャッチング トラップに入る前に通過する薄い位置感度シリコン ダイオードが含まれていました。

反水素原子を生成するために、混合領域の陽電子井戸に約7 × 10 ^{7 個の}陽電子を放出し、周囲温度 (15ケルビン)まで冷却しました。その後、陽電子ウェルの周囲にネストされたトラップが形成されました。次に、トラップをある電位構成から別の電位構成にパルスすることで、約 104 個の反陽子が混合領域に放出されました。混合時間は 190 秒で、その後すべての粒子が排出され、プロセスが繰り返されました。イメージング シリコン検出器をトリガーするイベント (外層の 3 辺がヒット) により、シリコン モジュールと CsI モジュールの両方の読み出しが開始されました。

この方法を用いて、ATHENAは2002年に初めて数千個の冷たい反水素原子を生成することができました。^[10]

ATHENA共同研究には以下の機関が参加した。^[11]

• INSPIRE-HEPの ATHENA 実験の記録