Das CERN wird Antimaterie auf einem Lastwagen für ein Vernichtungsexperiment fahren

Antiprotonenhemmer im CERN

Antimaterie ist eine sehr zerbrechliche Substanz (genauer Antimaterie). Aber die Physiker haben gelernt, wie man es so gut kontrolliert, dass sie nun zum ersten Mal in der Geschichte beschlossen, ein Risiko einzugehen und eine kleine Anzahl von Antiprotonen in eine Entfernung von mehreren hundert Metern zu transportieren.

Antimaterie wird im Large Hadron Collider abgebaut und sammelt Antiprotonenwolken, nachdem ein Protonenstrahl mit einem Metallziel kollidiert und fliegende Partikel genau verlangsamt, damit sie in nachfolgenden Experimenten verwendet werden können. In diesem Fall bereitet sich das CERN auf ein Experiment zur Vernichtung von Antiprotonen PUMA (Anti-Proton Unstable Matter Annihilation) vor, schreibt die Zeitschrift Nature .

Zur Vernichtung ist es notwendig, Antiprotonen von der „Fabrik“ an den Ort des benachbarten ISOLDE-Experiments zu liefern, das seltene radioaktive Atomkerne produziert. Sie zerfallen zu schnell, um irgendwohin transportiert zu werden. Daher wird es für das Vernichtungsexperiment notwendig sein, genau Antimaterie zu transportieren.


Ausrüstung im CERN-Labor für Teilchenphysik zur Herstellung radioaktiver Atomkerne. Foto: CERN

Das Experiment findet im CERN-Labor für Teilchenphysik statt. „Antimaterie wurde lange Zeit allein untersucht, aber jetzt sind ihre Eigenschaften bekannt genug, um als Sonde für Materie eingesetzt zu werden“, sagt Alexandre Obertelli, Physiker an der Technischen Universität Darmstadt (Deutschland), Projektmanager bei PUMA.

Um eine Wolke von ungefähr 1 Milliarde Antiprotonen im Vakuum zu stabilisieren, werden Wissenschaftler eine Falle aus magnetischen und elektrischen Feldern verwenden. Dann wird diese Falle auf einen LKW verladen - und bis zu Hunderten von Metern zum Ort des ISOLDE-Experiments transportiert.

Die folgende Abbildung zeigt, wie die Falle angeordnet ist und wie die Vernichtung in Zukunft erfolgen wird, wenn sie mit seltenen Isotopen radioaktiver Elemente kollidiert. Wie Sie sehen können, hat die Falle im Inneren des supraleitenden Magneten eine Länge von 700 mm, und die Isotope treten durch eine Röhre mit einem Durchmesser von 10 Nanometern in sie ein. Die Kollisionszone von Isotopen mit einem Antiproton ist mit einem Detektor zum Nachweis fliegender Partikel ausgestattet.


PUMA Experiment Design

"Das Tragen von Antimaterie auf einem Lastwagen ist fast Science-Fiction", sagt Charles Horowitz, theoretischer Kernphysiker an der Indiana University in Bloomington. "Das ist eine großartige Idee."

PUMA-Experiment

Wie in der Beschreibung des europäischen Zuschusses für das PUMA-Experiment geschrieben , soll es „eines der bemerkenswertesten Quantenphänomene in der Kernphysik untersuchen - die Entstehung eines Neutronenhalos und von Neutronenschalen in Atomkeimen, die sehr stark mit Neutronen gesättigt sind. Dicke Neutronenschalen, die bisher noch nie in Kernen mittlerer Masse fixiert wurden, werden zu Labor-Neutronenmaterie geringer Dichte. Es ist auch bekannt, dass die Struktur der Kernhülle mit der Anzahl der Protonen und Neutronen variiert. Die Kernstruktur sehr schwerer Kerne ist bei Z = 100 und mehr praktisch unbekannt, und die Existenz neuer langlebiger schwerer Isotope ist noch offen. "Dieses grundlegende Phänomen, das mit dem Ungleichgewicht von Neutronen und Protonen in instabilen Kernen verbunden ist, ist wichtig für das Verständnis der komplexen Natur von Kernen und verwandten astrophysikalischen Prozessen."

Zum Beispiel erzeugt ein Überschuss an Neutronen im Lithium-11-Isotop einen Neutronenhalo um den Kern des Kerns und bläst dessen Größe auf (siehe Abbildung).



Es wird angenommen, dass die gleichen Kräfte nur in größerem Maßstab in Neutronensternen wirken - es sind diese Kräfte, die eine mit Neutronen gesättigte feste Hülle erzeugen.


Neutronensternstruktur

Die Struktur der Kerne superdichter Sterne ist Wissenschaftlern immer noch ein Rätsel. Die Untersuchung der Eigenschaften des Kernhalos im "Mikrokosmos" radioaktiver Isotope wird jedoch dazu beitragen, den Hinweis in der Astrophysik zu finden.

Im Rahmen des PUMA-Experiments „klingen“ solche Neutronenhalos mit Antiprotonen und betrachten das Ergebnis der Vernichtung. Zu diesem Zweck wird Antimaterie an den Ort der Isotopenproduktion gebracht. Zuvor müssen zwar einige technische Probleme gelöst werden - Geräte müssen so konstruiert sein, dass eine Milliarde Antiprotonen mehrere Wochen lang in einer Falle bei einer Temperatur von 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt gelagert werden. Die Aufgabe ist schwierig, aber erreichbar. Wissenschaftler erwarten, 2022 mit den ersten Experimenten zur Vernichtung von Antimaterie mit Neutronenhalo radioaktiver Kerne zu beginnen.

Es gibt genug Antimaterie auf dem LKW für andere Experimente, nicht nur im CERN, so dass die Möglichkeit besteht, dass der Van mit Antimaterie anschließend in andere Regionen Europas fährt.

„Sobald sie eine Milliarde Antiprotonen nehmen und mehrere Wochen lang halten können, werden sich viele andere Experimente anschließen. Die Menschen werden neue Ideen haben, was hier getan werden kann “, sagt Chloé Malbrunot, Antimaterie-Physiker am CERN. "Ich denke, es wird wirklich ein neues Forschungsfeld eröffnen."