• John
  • Felde
  • University of Maryland
  • USA

Latest Posts

  • James
  • Doherty
  • Open University
  • United Kingdom

Latest Posts

  • CERN
  • Geneva
  • Switzerland

Latest Posts

  • Aidan
  • Randle-Conde
  • Université Libre de Bruxelles
  • Belgium

Latest Posts

  • TRIUMF
  • Vancouver, BC
  • Canada

Latest Posts

  • Laura
  • Gladstone
  • MIT
  • USA

Latest Posts

  • Steven
  • Goldfarb
  • University of Michigan

Latest Posts

  • Fermilab
  • Batavia, IL
  • USA

Latest Posts

  • Seth
  • Zenz
  • Imperial College London
  • UK

Latest Posts

  • Nhan
  • Tran
  • Fermilab
  • USA

Latest Posts

  • Alex
  • Millar
  • University of Melbourne
  • Australia

Latest Posts

  • Ken
  • Bloom
  • USLHC
  • USA

Latest Posts

Posts Tagged ‘ASACUSA’

Anti-beam me up, Scotty!

Tuesday, January 28th, 2014

While the CERN accelerator complex was being revamped in 2013, the ASACUSA experiment took time to carefully review the data taken in 2012 at the Antiproton Decelerator (AD) facility. This painstaking work paid off and they just announced in Nature having produced the first ever beam of antihydrogen atoms.

In laboratory experiments like the ones conducted at CERN, matter and antimatter are always created in equal amounts. The Big Bang theory predicts that the same quantities of matter and antimatter were also created at the origin of the Universe. However, nowadays, one sees absolutely no trace of this “primordial” antimatter. So what happened to all the antimatter that once was in the Universe?

To answer this question, CERN has a full antimatter program underway at the AD to check if antimatter has the same properties as matter. One of the best ways to do so is to compare antihydrogen atoms with hydrogen atoms. This is the simplest of all atoms, having only one electron orbiting around one single proton.

Antihydrogen atoms are replica of hydrogen atoms but with an anti-electron – called positron – and an antiproton replacing the electron and proton of regular atoms.

All matter emits light when excited just as a piece of metal shines when heated up. The light emitted gives a unique signature for each atom. For example, hydrogen emits and absorbs light of specific frequency when an electron jumps from one energy level to another. It also has a “hyperfine structure” corresponding to magnetic interactions between the nucleus and the electron.

The ASACUSA experiment aims to check the hyperfine structure of antihydrogen. This can be done by observing which frequencies antihydrogen atoms absorb.

asacusa-realThe ASACUSA experiment at CERN (Image: Yasunori Yamakazi )

So here is what ASACUSA did: they produced antihydrogen atoms by first decelerating and cooling antiprotons down to very low temperature. Then they mixed antiprotons with positrons and combined them in a strong non-uniform magnetic field. These strong magnetic fields are necessary to keep antiprotons and positrons from touching any matter. That would cause their immediate annihilation and prevent the formation of antihydrogen atoms.

The next problem was to move the antihydrogen atoms away from this field to be able to study their hyperfine structure. Otherwise, the strong non-uniform magnetic field would mask the tiny effects generated by the magnetic interaction between the antiproton and the positron responsible for the hyperfine structure.

But atoms are neutral and cannot be controlled by electric fields. However, antihydrogen atoms are like tiny magnets. So by using non-uniform magnetic fields, the scientists were able to manipulate these tiny magnets and create a beam of antihydrogen atoms. It was directed towards a small detector located after a microwave cavity and a sextupole magnet.

The sextupole magnet focuses or defocuses antihydrogen atoms on the detector depending on the direction of the antihydrogen tiny magnets.

ASACUSA

The ASACUSA setup. From left to right: the magnets (grey) used to produce antihydrogen atoms, the microwave cavity (green) to induce hyperfine transitions, the sextupole magnet (red and grey) and the antihydrogen detector (gold). Credit: Stefan Meyer Institute.

The detector reveals the number of antihydrogen atoms passing through the device after they go through a microwave cavity. It was turned off in 2012 but will be on in the future.  The antihydrogen atoms will only absorb microwave photons having exactly the energy corresponding to its hyperfine transitions. This process will alter the trajectory of antihydrogen atom in the sextupole magnet, and eventually the number of antihydrogen atoms reaching the detector will be reduced.

By counting how many antihydrogen atoms reach the target when the microwave cavity is tuned to specific frequencies, the scientists will determine the frequencies of the hyperfine structure.

ASACUSA now has the proof that 80 antihydrogen atoms made it to their detector. The next step is to see if fewer are observed when the microwave cavity is turned on at the right frequency.

And then we will know if antihydrogen is the exact mirror image of hydrogen. This may reveal if antimatter differs from matter and explain why it has all vanished.

Pauline Gagnon

To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline
 or sign-up on this mailing list to receive and e-mail notification.

Share

Scotty, anti-faisceau!

Tuesday, January 28th, 2014

Tandis que le complexe des accélérateurs du  CERN était à l’arrêt en 2013, l’expérience ASACUSA en a profité pour soigneusement analyser les données prises en 2012 au Décélérateur d’antiprotons (AD). Ce travail minutieux leur a permis d’annoncer dans la revue Nature la toute première production d’un faisceau d’antihydrogène.

Dans les expériences de laboratoire comme celles du CERN, la matière et l’antimatière sont toujours créées en quantités égales. La théorie du Big Bang prévoit que des quantités égales de matière et d’antimatière existaient à l’origine de l’Univers. Cependant, de nos jours, il ne reste aucune trace de cette antimatière “primordiale”. Qu’est-il arrivé à toute l’antimatière qui se trouvait dans l’Univers ?

Pour répondre à cette question, le CERN a un vaste programme d’étude de l’antimatière en cours au AD. On veut vérifier si l’antimatière a les mêmes propriétés que la matière. Une des façons de procéder est de comparer des atomes d’antihydrogène avec des atomes d’hydrogène. On choisit l’hydrogène puisque c’est le plus simple de tous les atomes, avec seulement un électron orbitant autour d’un unique proton.

Les atomes d’antihydrogène sont la réplique des atomes d’hydrogène, mais avec un antiélectron – appelé positron – et un antiproton remplaçant l’électron et le proton des atomes normaux.

Toute matière émet de la lumière quand elle est excitée. C’est ce qui se passe quand on chauffe une pièce métallique. La lumière émise est comme la signature de chaque atome. Par exemple, l’hydrogène émet ou absorbe de la lumière d’une fréquence spécifique quand un électron saute d’un niveau d’énergie à un autre. Il existe aussi “une structure hyperfine ” correspondant aux interactions magnétiques entre le noyau et l’électron.

L’expérience ASACUSA a pour but de vérifier la structure hyperfine de l’antihydrogène. Ceci se fait en observant quelles  fréquences les atomes d’antihydrogène peuvent absorber.

asacusa-realL’expérience ASACUSA au CERN (Photo: Yasunori Yamakazi )

Voici ce qu’ASACUSA a réussi: l’équipe a d’abord produit des atomes d’antihydrogène en ralentissant des antiprotons à très basse température. Puis on a mélangé ces antiprotons avec des positrons pour les combiner à l’aide d’un champ magnétique fort et non-uniforme. Ce champ est nécessaire pour éviter que les antiprotons et les positrons n’entre en contact avec de la matière. Cela causerait leur annihilation immédiate et empêcherait la formation d’atomes d’antihydrogène.

Puis il a fallu déplacer les atomes d’antihydrogène en dehors de ce champ pour pouvoir étudier leur structure hyperfine. Autrement, le fort champ magnétique masquerait les effets minuscules produits par l’interaction magnétique entre l’antiproton et le positron à l’origine de la structure hyperfine.

Mais comme les atomes sont neutres, ils ne peuvent pas être contrôlés par des champs électriques. Cependant, un atome d’antihydrogène ressemble à un minuscule aimant. Les scientifiques ont donc manipulé ces aimants microscopiques en utilisant un champ magnétique non-uniforme, et créé un faisceau d’atomes d’antihydrogène.  Ce faisceau a ensuite été dirigé vers un détecteur situé après une cavité à micro-ondes et un aimant sextupole.

L’aimant sextupole focalise ou défocalise les atomes d’antihydrogène sur le détecteur, dépendamment de l’orientation de leurs minuscules aimants.

ASACUSA

L’expérience ASACUSA. De gauche à droite : les aimants (en gris) utilisés pour  produire les atomes d’antihydrogène, la cavité à micro-ondes (en vert) qui induit des transitions hyperfines, l’aimant sextupole de focalisation (en rouge et gris) et le détecteur à antihydrogène (en jaune). Crédit : Stefan Meyer Institute.

Le détecteur compte le nombre d’atomes d’antihydrogène qui l’atteignent après avoir traversé une cavité à micro-ondes. Cette cavité était éteinte en 2012, mais sera allumée à l’avenir. Les atomes d’antihydrogène absorberont alors seulement les photons micro-ondes ayant exactement l’énergie correspondant aux transitions de la structure hyperfine. L’absorption d’un photon changera la trajectoire de l’atome d’antihydrogène dans l’aimant sextupole et donc réduira le nombre d’atomes d’antihydrogène atteignant le détecteur.

En comptant combien d’atomes d’antihydrogène atteignent le détecteur lorsque la cavité à micro-ondes émettra des photons de fréquences spécifiques, les scientifiques détermineront quelles sont les fréquences de la structure hyperfine.

ASACUSA a maintenant la preuve que 80 atomes d’antihydrogène ont atteint  le détecteur. La prochaine étape consistera à déterminer si moins d’antiatomes seront observés lorsque la cavité à micro-ondes sera allumée à la bonne fréquence.

Nous saurons alors si l’antihydrogène est exactement l’image inversée de l’hydrogène. Ceci révélera si l’antimatière diffère de la matière et pourrait expliquer pourquoi elle est complètement disparue de l’Univers.

Pauline Gagnon

Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution

 

Share