renafae - Indico

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renafae - Indico

Antimatéria no AD
Cláudio Lenz [email protected]
Instituto de Física - UFRJ - Brazil
Collaborations ATHENA, ALPHA / CERN
RENAFAE
Universidade do Brasil
CERN.pt’16
Cláudio Lenz Cesar
Antimatéria no Desacelerador de Antiprotons (AD)
31/Agosto/2016
<[email protected]>
CERN.pt’16
Programa
0 - O que é antimatéria? (relembrando)
1 - Motivações
2 - O Desacelerador de Antiprotons e seus experimentos
3 - Antihidrogênio - foco ATHENA e ALPHA:
- produção
- aprisionamento
- neutralidade da carga
- transições em microondas
- espectroscopia a laser de alta precisão
4 - Princípio de Equivalência
5 - Curiosidade
6 - Conclusão
2
Cláudio Lenz Cesar
Einstein(‘21)
Dirac(’33)
CERN.pt’16
0. O que é? (relembrando)
Antipartícula=C(partícula)H fine structure
P3/2
P1/2
Exotic+∞Atoms
+&
mc
E=0
Anti-atoms
- mc
Antimatéria
2
2
Anderson
(‘36)
e+ detection
-∞
Segré Chamberlain
(‘59)
(‘59)
pbar
3
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
0. O que é? (relembrando)
CRIAÇÃO DE ANTIMATÉRIA
E
- Conservação de energia e momento linear
- Outras simetrias e leis de conservação se aplicam
4
ANIQUILAÇÃO
Reversão
Temporal
(T)
Na aniquilação elétron(e )-pósitron(e+) toda a
MASSA é transformada
em
pura
ENERGIA:
E
• “reator de matéria-antimatéria da
Enterprise
de STAR-TREK”;
•NASA - única fonte de energia para
viagem para fora do sistema Solar!
Calouros - IF-UFRJ - 2008
As soluções com a antimatéria
Pósitron Emission Tomography
Momento inicial = final =0
Enegia inicial = final = 2x511 keV
511 keV
e+
e511 keV
PET scan
http://www.epub.org.br/cm/n01/pet/pet.htm
CLC - Aula Magna - IFSC’2011
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
1. Motivações
http://www.iflscience.com/physics/top-10-unsolved-mysteries-science
So what are some of the top mysteries keeping scientists busy? Here’s our top ten:
Why is there more matter than antimatter?
("Big Questions in Science",Mun Keat Looi, Hayley Birch e Colin Stuart )[
http://www.theguardian.com/science/2013/sep/01/20-big-questions-inscience (Marcelo Gleiser no O Globo)]
1. Do que é feito o Universo? Desconhecemos 95% do que compõe o Universo
(matéria/energia escura)
2. Como surgiu a vida?
3. Estamos sós no Universo?
4. O que nos torna humanos? (comparado com macacos, etc)
5. O que é o consciente?
6. Por que sonhamos?
7. Por que a matéria existe e antimatéria não? ...
7
Baryogenesis
- Como pode o Universo conter somente
“matéria” primordial e nenhuma “antimatéria” ?
Onde está a antimatéria no Universo ?
Cadê o anti-você ?
Qual a estoria “Big-Bang” ?
outros problems com o modelo atual:
unificação? matéria e energia escuras?...
AMS: AntiMatterSpectrometer or
Alpha Magnetic Spectrometer
Claudio Lenz Cesar - Groningen 2015
8
Cláudio Lenz Cesar
P(‘57)
Discrete Symmetry Operations
“P” - parity, space inversion: -r <=> +r
“C” - charge conjugation: e- <=> e+
“T” - time reversal: -t <=> +t
CP(‘80)
H levels
V. Fitch
1980
CPT (?)
”Two-Photon
Spectroscopy
of
Trapped Atomic Hydrogen”, Claudio L.
Cesar, Dale G. Fried, Thomas C.
Killian, Adam D. Polcyn, Jon C.
Sandberg, Ite A. Yu, Thomas J.
Greytak, and Daniel Kleppner, John M.
Doyle, PRL 77, 255 (1996)
CPT Theorem
2P
Quantum
Field
Theory
“Measurement of the Hydrogen 1S-2S
Frequency
by Phase
LorentzTransition
Local
invariance
Coherent
Comparison
with
a
Microwave Cesium Fountain Clock”,
space
La Flat
M. Niering, R. Holzwarth, J. Reichert,
243 nm
243 nm
T.D.Lee
1957
J. Cronin
1980
2S(122 ms)
1 Ry = 13.6 eV
C. Yang
1957
CERN.pt’16
1S
P. Pokasov, Th. Udem, M. Weitz, and T.
W. Hänsch, P. Lemonde, G. Santarelli,
M. Abgrall, P. Laurent, C. Salomon and
A. Clairon, PRL 77, 5496(2000)
9
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
CERN
Accelerators
Complex
Antiproton
Decelerator
(único)
10
Cláudio Lenz Cesar
2 · 107 antiprotons / cycle
P = 100 MeV/c (E = 5 MeV)
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Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
AD-4 ACE (SPSC meeting JAN/2016)
Relative Biological Efficiency of Antiprotons: The AD-4 ACE Experiment
Michael H. Holzscheiter, University of New Mexico, Albuquerque
Cláudio Lenz Cesar
BASE (SPSC meeting JAN/2016): q/m (pbar X H-) and g (pbar X p)
BASE – 2015 Antiproton Run , by Stefan Ulmer
CERN.pt’16
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
GBAR (SPSC meeting JAN/2016): gravidade para antihidrogênio (2017-)
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
AEGIS Antihydrogen experiment: Gravity, Interferometry and Spectroscopy
(SPSC meeting JAN/2016)
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
ASACUSA Status (SPSC meeting JAN/2016)Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow
Antiprotons
Cláudio Lenz Cesar
ATRAP Status (SPSC meeting JAN/2016)
CERN.pt’16
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
5. Antihidrogênio
1 - CPT theorem, base of the Standard Model:
MPQ, Garching web page
“CPT and Lorentz Tests in Hydrogen and Antihydrogen”, Robert
Bluhm, V. Alan Kostelecký, and Neil Russell, PRL 82, 2254 (1999)
2 - Relativity  Equivalence Principle
Antigravity (quase impossível) ou quebra do Princípio de Equivalência ???
Cláudio Lenz Cesar
P(‘57)
Discrete Symmetry Operations
“P” - parity, space inversion: -r <=> +r
“C” - charge conjugation: e- <=> e+
“T” - time reversal: -t <=> +t
CP(‘80)
H levels
V. Fitch
1980
2P
243 nm
243 nm
T.D.Lee
1957
J. Cronin
1980
1 Ry = 13.6 eV
C. Yang
1957
2S(122 ms)
1S
La
CERN.pt’16
CPT (?)
”Two-Photon
Spectroscopy
of
Trapped Atomic Hydrogen”, Claudio L.
Cesar, Dale G. Fried, Thomas C.
Killian, Adam D. Polcyn, Jon C.
Sandberg, Ite A. Yu, Thomas J.
Greytak, and Daniel Kleppner, John M.
Doyle, PRL 77, 255 (1996)
“Measurement of the Hydrogen 1S-2S
Transition
Frequency by Phase
Coherent
Comparison
with
a
Microwave Cesium Fountain Clock”,
M. Niering, R. Holzwarth, J. Reichert,
P. Pokasov, Th. Udem, M. Weitz, and T.
W. Hänsch, P. Lemonde, G. Santarelli,
M. Abgrall, P. Laurent, C. Salomon and
A. Clairon, PRL 77, 5496(2000)
19
ATHENA Collaboration (est. 97)
G. Bonomi, A. Bouchta, M.Doser,
M.H.Holzscheiter,A. Kellerbauer,R. Landua
CERN, Geneva (Switzerland)
P.D. Bowe, M. Charlton, L.V. Jorgensen, D.J.R.
Mitchard, D.P. van der Werf
Dep. of Phys., Univ of Wales Swansea (UK)
J. S. Hangst, N. Madsen
Institute for Phys. and Astron. (Aarhus)
Denmark
M.C. Fujiwara, Y. Yamazaki
Atomic Phys. Lab, RIKEN (Japan)
C. Amsler, I. Johnson,H. Pruys,C.
Regenfus, J. Rochet
R. Funakoshi,R.S. Hayano
Dep. of Phys. and Inst. of Phys. (Tokyo) (Japan)
M. Amoretti, C. Canali, C. Carraro, V. Filippini, A. Fontana, P. Genova, V.
Lagomarsino, E. Lodi Rizzini, M. Macri, G. Manuzio, P.Montagna, A. Rotondi, G.
Testera, A. Variola, L. Venturelli, N. Zurlo
Inst. of Phys. Zurich Univer. (Switzerland)
C. Lenz Cesar
Fed. Univ. Of Rio de Janeiro (Brazil)
Ist. Naz. Fisica Nucl. and Univ. of Brescia, Genova, Pavia (Italy)
Escalas de Energia/Temperatura
Log T
13
10
6
3.8
2.5
1.9
0.64
0.11
T (K)
10000000000000
10000000000
1000000
6000
300
77
4
1.3
Fenômeno
p, p, n, (10-6 s)
núcleosíntese primordial, e-, e+ (1s),
átomos
superfície do sol
terra, homem, água-gelo
nitrogênio líquido
hélio líquido, universo hoje (2.8 K)
refrigerador de 4He
-0.52
0.3
refrigerador de 3He
-2
0.01
refrigerador de diluição 3He-4He
-3.7
0.0002
resfriamento Doppler a laser
-5
0.00001
resfriamento a laser - recuo de fóton
-9
0.000000001
resfriamento por evaporação
(BEC)
-12
0.000000000001
energia do puro condensado (BEC)
Calouros IF-UFRJ - 2008
ANTIHIDROGÊNIO
CPT Symmetry
Gravity
Cosmology
Cold Antihydrogen
Plasmas
Traps
UH Vacuum
Cryogenics
Detectors
Monte Carlo
Electronics
Calouros IF-UFRJ - 2008
Software
Lasers
ATHENA apparatus
T=15 Kelvin
Mixing in the nested
trap
M. Amoretti et al (ATHENA COLLABORATION) NIM A 518 (2004) 679
Armadilha de Penning - antiprótons
B
B
Claudio Lenz Cesar - MIT- 2011
24
Pósitron (e+) Accumulator:
Penning Trap and Buffer Gas
Antiprótons + Pósitrons
Antihydrogen detector
Mixture
Production Mechanisms
γ ∼ T-9/2
Antihydrogen detector
Vertex rec. eff.:
50%
Position resolution ():
4 mm
Silicon trigger efficiency:
(85 +-10)%
Photon energy resolution:
24% (FWHM) @ 511KeV
Photon detection efficiency:
20%
Full simulation by Montecarlo based on GEANT 3.21
CsI crystals
Opening angle
distribution
Si strips
131± 22 Golden Events
(>50000 Hbars) in sept 2002

104 
pbars
108 e+
3T
Amoretti et al.,(ATHENA coll.)Nature 419 (2002) 456
LE MONDE | 19.09.02 | 12h50
Cern consegue produzir antimatéria "fria"
Les physiciens ont
São Paulo, quinta-feira, 19 de setembro de 2002
Cientistas anunciaram ontem em artigo publicado on-line pela revista científica britânica
fabriqué une multitude
"Nature" (www.nature.com) a obtenção de antiátomos de hidrogênio com velocidades baixas
("frios") e em grandes quantidades. Foram produzidos pelo menos 50 mil átomos de antihidrogênio, o elemento mais simples no mundo da antimatéria, dotados de velocidades
d'antimondes
similares às dos átomos presente na atmosfera. O experimento foi realizado no Cern, a
LUISA MASSARANI
FREE-LANCE PARA A FOLHA
Organização Européia de Pesquisa Nuclear sediada na Suíça, e abre caminho para testar
deCERN
uma forma mais rigorosa alguns dos pilares da física moderna.
A Genève, une quarantaine de chercheurs du
... "Estamos trabalhando para, no futuro, aprisionar os anti-hidrogênios em armadilhas
sont parvenus à fabriquer 50 000 atomes
magnéticas nas quais devem durar horas", afirma o cearense Claudio Lenz Cesar, 38,
d'antihydrogène. Leur but : déterminer si matière et pesquisador do Instituto de Física da UFRJ ...
antimatière obéissent de la même façon aux lois de la
physique.
CERN Group Detects More than 100
Antihydrogens
More Sci- Than Fi, Physicists
Create
Bárbara Gross Levi
Antimatter
CAPA
By DENNIS OVERBYE
September 19, 2002
The mating of a positron to an antiproton is a significant milestone along an
arduous
path toward
a comparison
matter with antimatter.
Physicists working in Europe announced
yesterday
that they
had passedof
through
... of antimatter, or antiatoms, opening up the
nature's looking glass and had created atoms made
another
reason
whySuch
it's important
to understand the formation process. ATHENA
possibility of experiments in a realm once reservedThere's
for science
fiction
writers.
experiments,
Herton Escobar
Quarta-feira,
18 basic
de setembro
de
2002 - 22h24
collaborator
Claudio
Lenz
(Federal
University of Rio de Janeiro, Brazil) says that he and his
theorists
say, could test
some of the
tenets of
modern
physics
and
lightCesar
the way
to a deeper
Os pesquisadores
produziram 50.000 átomos
de anti-hidrogênio,
partículaideas about how the antiprotons and positrons are
colleagues
now have someuma
preliminary
understanding
of nature. CAPA
Colaboração
internacional
de pesquisadores
consegue
espelhada do hidrogênio comum, só que com cargas
trocadas
(positivo
lugar
de negativo,
viceinteracting
in the
mixingno
trap.
These
ideas, heeexplains,
may enable them to engineer the way in
produzir
‘frio’. the formation of a beam-like flux.
versa)
which
atoms anti-hidrogênio
emerge and hence encourage
... “Athena é, na verdade, uma fusão de três grupos, cada um especializado numa
...
determinada
área do projeto:
armazenagem
Cearense bem-humorado e professor do Instituto de
Física da Universidade
Federal
do Rio dee resfriamento de antiprótons, captura
de pósitrons
espectroscopia
de altaderesolução.
Janeiro (UFRJ), ele é um dos líderes do grupo Athena,
formadoe por
39 pesquisadores
Brasil, Um de seus objetivos é fazer medições do
anti-hidrogênio
e compará-las
comno
asCern
existentes
para o hidrogênio”,
Itália, Suíça, Dinamarca, Grã-Bretanha e Japão, dedicado
ao estudo
da antimatéria
(sigla da
Organização Européia para Pesquisas Nucleares).conta Cláudio Lenz Cesar, professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro
(UFRJ) e membro da colaboração....
Cientistas criam átomos de antimatéria em
grande quantidade
ALPHA Collaboration
Est. 2006
29
A Magnet Trap for AntiHydrogen
Field Configuration - capturing pbars
3.5
3 T in catching region, 1 T in mixing for
larger neutral well depth
Q u ic k Tim e ™ a n d a
TI FF ( Un c o m p r e s s e d ) d e c o m p r e s s o r
a r e n e e d e d t o s e e t h is p ic t u r e .
3
Mirror coils
Total field (T)
2.5
2
Inner solenoid
1.5
ALPHA calculated
combined
Final degrader
HVR centre
End thin electrodes
Positron region end
ALPHA real
Start thin electrodes
Magnet centre
Dirk NEW
1
Outer solenoid
0.5
0
31
32
pbar annihilation = pions
silicon detector : imaging
Q u ic k Tim e ™ a n d a
TI FF ( Un c o m p r e s s e d ) d e c o m p r e s s o r
a r e n e e d e d t o s e e t h is p ic t u r e .
33
QuickTime™ and a
H.264 decompressor
are needed to see this picture.
34
After 1 year of tests:
Hbar simulation
left bias
right bias
no bias
Pbar sim.
Cláudio Lenz Cesar - ENFMC- 2015
36
beyond the 5 mins of fame....
Total 2010
37
38
Conclusions - ALPHA
Trapping and manipulating antihydrogen
First resonant microwaves spin flipping with anti-atoms (10-3)
First charge nullity exp. Q~10-8 e / Method for |mG/mI|<70
New equipment with optical access
Perspective to do high precision comparison between H and antiH
- do they have the same spectra ?
- does antiH fall the same way as H (Spect. & ALPHA-g vertical)
Rio
Matrix Isolation Sublimation:
- cryogenic atoms and molecules
- trapping H
- high-precision measurements
243 nm laser:
Let the
fun begin!
39
3 - Hbar spectroscopy - ALPHA-II
a new apparatus with laser access
Cláudio Lenz Cesar - ENFMC- 2015
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
5. Curiosidade
as substâncias mais caras do Universo
http://www.telegraph.co.uk/business/2016/05/18/the-most-valuable-substances-in-the-world-by-weight/
#15 Gold - $56/gram
#8 Lysergic Acid Diethylamide (LSD) $3,000/gram
#7 Plutonium - $4,000/gram
#3 Diamonds - $55,000/gram
#1 Antimatter - $6.25 Trillion/gram
41
Cláudio Lenz Cesar
CERN.pt’16
6. Conclusão
Antiproton Decelerator: onde física atômica de alta
precisão encontra física de partículas
- extendendo os limites de comparação entre matéria e
antimatéria
- ATHENA & ALPHA: maiores breakthrough da Física
(2002 e 2010)
- será a antimatéria em tudo simétrica à matéria ?
- qual a explicação para a ausência de antimatéria no
Universo :
violação de CP num nível bem maior que até agora visto
(LHCb) ? antigravidade ? violação de CPT ?
Física é uma Ciência viva, cheia de desafios e perguntas
sem respostas! E o AD no CERN é um lugar interessante
para procurar essas respostas atuais!
42

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