Der Antiproton Decelerator (Abkürzung AD; deutsch: Antiprotonen-Entschleuniger) ist ein Speicherring am CERN in Genf. Ziel des AD ist es, Antiprotonen, die mithilfe des Proton Synchrotrons erzeugt wurden, abzubremsen und den verschiedenen Antimaterie-Experimenten zur Verfügung zu stellen.
Geschichte Am CERN wurden seit Ende der 1970er Jahre mit dem Protonenstrahl des Proton Synchrotron Antiprotonen erzeugt und für Versuche mit Antimaterie in den Anlagen Antiproton Accumulator (AA), Antiproton Collector (AC) und Low Energy Antiproton Ring (LEAR) eingefangen, gesammelt und abgebremst. 1995 zeigte das PS210-Experimentkfa-juelich.de: Webseite des PS210 Experiments am LEAR-Speicherring am CERN, dass es prinzipiell möglich ist, Antiwasserstoff herzustellen. Allerdings konnten nur 9 Antiwasserstoffatome mit einer kinetischen Energie von ca. 1,2 GeV hergestellt werdenDer erste experimentelle Nachweis von (heißem) Antiwasserstoff: G. Baur et al. "Production of Antihydrogen", Phys. Lett. B 368 (1996) p. 251. Dies entspricht bei Antiwasserstoff einer Geschwindigkeit von 0,9 c oder einer Temperatur von 1,4 · 1013 Kelvin. Auf Grund dieser hohen Temperatur spricht man auch von „heißem“ Antiwasserstoff. Da man mit Antiatomen auch Theorien wie z. B. das CPT-Theorem und verschiedene Vorhersagen über AntigravitationMögliche Abweichung von der "normalen" Gravitationskraft: Goldman et al. "Experimental Evidence for Quantum Gravity?" Phys. Let. B 171 (1986) p. 217 überprüfen kann, ist es von besonderem Interesse, Experimente an Antiwasserstoff durchzuführen. Um Hochpräzisionsexperimente durchzuführen, benötigt man wesentlich größere Mengen und um mehrere Größenordnungen kältere Antiwasserstoffatome. Dies war mit dem PS210-Aufbau nicht zu erreichen. Im Jahr 1996 wurden die Anlagen zugunsten des LHC stillgelegt.
Wegen des weiterhin großen Interesses an gekühlten Antiprotonen entschied man sich, aufbauend auf den Bauteilen des AC, den Antiproton Decelerator zu konstruieren. Die Umbaupläne wurden im Februar 1999 genehmigt. 1999 war der Antiproton Decelerator funktionsfähig und ist fähig, 2·107 Antiprotonen mit einer kinetischen Energie von 5,3 MeV zu liefernÜbersicht über den AD: (pdf; 433 kB). Nach der Fertigstellung des AD wurden im Innern des Speicherrings verschiedene Antimaterieexperimente aufgebaut. Viele beschäftigen sich mit der Herstellung von kaltem Antiwasserstoff (z. B. ATHENA, ATRAP), andere nutzen die Antiprotonen für andere Zwecke wie z. B. ASACUSA, welches Messungen an exotischen Atomen vornimmt.
Funktionsweise Antiprotonenerzeugung mini|hochkant=1.4|Wirkungsquerschnitt für die Bildung eines Proton-Antiproton-Paars in Abhängigkeit von der primären Protonenenergie.
Da Antiprotonen auf der Erde nicht natürlich vorkommen, müssen sie künstlich erzeugt werden. Dies geschieht üblicherweise durch Paarbildung. Man schießt ein geladenes Teilchen (z. B. ein Proton p) mit hoher kinetischer Energie auf ein Target. Trifft das Strahlteilchen einen Atomkern, so wechselwirkt es mit einem Proton im Kern und ein Teilchen-Antiteilchenpaar wird erzeugt. Unter bestimmten Umständen entsteht ein Proton-Antiprotonpaar.
Das so erzeugte Antiproton wird durch Massenspektrometer von den Protonen und den anderen erzeugten Teilchen-Antiteilchen-Paaren getrennt, sodass man nur noch Antiprotonen im Strahlrohr hat. Aufgrund der Viererimpulserhaltung beträgt die minimale kinetische Energie
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Dies entspricht einem Impuls von 6,5 GeV/c. Da die Protonen im Kern des Targetmaterials gebunden sind, ist die tatsächliche Energie etwas niedriger und hängt von dem verwendeten Material ab. Üblich sind hier Kupfer, Iridium und Beryllium.
Da die Antiprotonenbildung mit Protonenimpulsen höher als 6,5 GeV/c wesentlich wahrscheinlicher wird (siehe Wirkungsquerschnittsgraph), verwendet man Protonen mit einem Impuls von 26 GeV/c, dies entspricht einer kinetischen Energie von etwa 25 GeV. Um diese recht hohe Energie bereitstellen zu können, wird ein Teilchenbeschleuniger benötigt. Im Falle des AD ist dies das Proton Synchrotron, welches auch als Vorbeschleuniger für den LHC verwendet wird.
Aufbau mini|hochkant=1.4|Der Antiprotonenherstellungs- und Speicherkomplex im Überblick. Die rote Strahlröhre im linken Bildbereich dient dem Protoneneinschuss zu Kalibrationzwecken.
Der AD ist ein Speicherring mit einem Umfang von 188 mÜbersichtsartikel rund um das Thema Antiprotonen: . Er besteht im Wesentlichen aus den Teilen des Antiproton Collector, einem Speicherring, welcher zuvor zum Sammeln von Antiprotonen eingesetzt und auch am PS210-Experiment verwendet wurde. Allerdings wurden sehr viele Teile stark modifiziert. So wurden alle Leistungswandler besser stromstabilisiert und das Vakuum im Vergleich zum Vorgänger um den Faktor 20 (bei AD wenige 10−8) Pascal verbessert. Zum Abbremsen der Antiprotonen verwendet man Beschleunigungs-Kavitäten, die allerdings „verkehrt herum“ betrieben werden, sodass die Teilchen nach dem Durchlaufen der Kavität langsamer sind. Um die Emittanz des Teilchenstrahls zu verringern, besitzt der AD die Fähigkeit, die beiden Standardkühlmethoden stochastische Kühlung und Elektronenkühlung anzuwenden. Die Antiprotonen werden nach der Abbremsprozedur mit einem Kicker an die Experimente weitergeleitet. Ein Kicker ist ein Elektromagnet, der schnell eingeschaltet werden kann und so die Bahn der Teilchen verändert. Durch geschicktes Ansteuern kann damit eine Art Weiche für geladene Teilchen realisiert werden.
Der AD kann zu Kalibrationszwecken mit Protonen befüllt werden. Da Protonen die entgegengesetzte Ladung von Antiprotonen aufweisen, werden sie von den Ablenkmagneten in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt. Damit sie aber dennoch gespeichert werden können, kann man sie mit Hilfe eines zweiten Strahlrohrs (im Bild die rote Schleife) in entgegengesetzter Richtung einschießen.
Um die Fläche der Halle optimal auszunutzen, baut man die Experimente im Innern des AD-Rings aufExperimentierbereich im Innern des AD: (pdf; 1,2 MB).
Kalibrierung Um den AD zu kalibrieren und die Bestandteile zu synchronisieren, nimmt man ihn mit Protonen in Betrieb. Der Vorteil, den Protonen gegenüber Antiprotonen bieten, ist die Tatsache, dass sie in wesentlich größerer Menge vorliegen, da man sie direkt vom Proton Synchrotron in den AD einschießen kann und nicht in einem Zwischenschritt über die Paarerzeugung herzustellen braucht. So stehen typischerweise 3·1010 Protonen zur Verfügung, während es im Operationsbetrieb nur 5·107 sind. Auf diese Weise werden die Signale der Messgeräte stärker, und man erhält ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.
Betrieb mini|hochkant=1.4|Die einzelnen Abbrems- und Kühlvorgänge in chronologischer Abfolge.
Ein Abbremszyklus beginnt damit, dass die Antiprotonen vom Target mit einem Impuls von 3,5 GeV/c in den AD eingeschossen werden. Da die Emittanz noch sehr hoch ist, wird sie mit Hilfe der stochastischen Kühlmethode verringert (siehe Kühlgraph). Nachdem die Emittanz ausreichend reduziert wurde, beginnt man mit dem eigentlichen Abbremsvorgang. In wenigen Sekunden werden die Antiprotonen mit Hilfe der Kavitäten auf einen Impuls von 2 GeV/c gebracht. Dabei wird aber gleichzeitig die Emittanz wieder erhöht, deshalb muss man erneut die stochastische Kühlung anwenden. Man beachte, dass Kühlmaßnahmen nur zur Verringerung der Emittanz dienen und nicht dafür verantwortlich sind, dass das Teilchenpaket insgesamt langsamer wird. Würde man die Antiprotonen direkt auf den gewünschten Impuls von 100 MeV/c bringen, so würde man aufgrund der steigenden Emittanz zu viele Antiprotonen im Strahlrohr verlieren. Nach der zweiten Kühlung kann man sie erneut abbremsen und die Emittanz mittels Elektronenkühlung reduzieren. Dies wiederholt man ein weiteres Mal, um den gewünschten Impuls von 100 MeV/c zu erreichen. Nach diesem Abbremsvorgang stehen etwa 2·107 langsame Antiprotonen zur Verfügung. Vergleicht man dies mit den 1013 Protonen, die auf das Target auftreffen, so benötigt man im Schnitt 5·105 Protonen, um ein langsames Antiproton zu erzeugen. Mit Hilfe eines Kickers werden die gekühlten Antiprotonen zu den Experimenten gelenkt. Nachdem die langsamen Antiprotonen an die Experimente weitergeleitet wurden, kann man den AD erneut mit schnellen Antiprotonen befüllen, und der ganze Prozess beginnt erneut.
ELENA Mit dem Entschleunigerring ELENA wird seit 2019 eine weitere Verbesserung des Strahls aus dem Antiproton Decelerator erreicht. Durch einen Synchrotron-Ring, den Hauptbestandteil von ELENA, sollen die Antiprotonen letztendlich von 5,3 MeV auf 0,1 MeV heruntergebremst werden, und durch einen darin integrierten Elektronenkühler sollen sie zusätzlich gekühlt werden.W. Oelert (23. Januar 2015): The ELENA project at CERN.
Experimente Nach der Fertigstellung des AD wurden verschiedene Antimaterie-Experimente aufgebaut. Im Folgenden ist eine Auswahl davon beschrieben.
ATHENA (AD-1) Da beim PS210-Experiment nur neun sehr heiße Antiwasserstoffatome hergestellt werden konnten, wollte die ATHENA-Kollaborationcern.ch: Welcome to the ATHENA Experiment zeigen, dass es möglich ist, größere Mengen kalten Antiwasserstoff herzustellen. Um dies zu erreichen, wurde eine ApparaturÜbersichtsartikel über ATHENA: Amoretti et al. "The ATHENA antihydrogen apparatus" NIM A 518 (2004) 679 hergestellt, die man in drei Sektionen unterteilen kann: Als erstes die Antiprotonenfalle, in der die Antiprotonen vom AD gefangen und weiter heruntergekühlt werden, als zweites den Positronen-Erzeugungs-, Sammel- und Kühlbereich und schließlich den Mischbereich, in dem die beiden Bestandteil des Antiwasserstoffs zusammengebracht werden und rekombinieren können.
Antiprotonenfalle mini|hochkant=1.4|Vorgehensweise bei der Antiprotonenakkumulation