2011. szeptember 7.

NATURE 475 (2011) 484

Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio

(Az antiprotonos héliumatom kétfotonos lézerspektroszkópiája és az antiproton-elektron tömegarány)

Masak Hori1,2, Anna Sótér1, Daniel Barna2,3, Andreas Dax2, Ryugo Hayano2,
Susanne Friedreich4, Bertalan Juhász4, Thomas Pask4, Eberhard Widmann4,
Dezső Horváth3,5, Luca Venturelli6 & Nicola Zurlo6


1 Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Strasse 1, D85748 Garching, Germany
2 Department of Physics, University of Tokyo, Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan.
3 KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics, H-1525 Budapest, Hungary
4 Stefan Meyer Institut für Subatomare Physik, Boltzmanngasse 3, Vienna 1090, Austria
5 Institute of Nuclear Research, H-4001 Debrecen, Hungary
6 Dipartimento di Chimica e Fisica per l'Ingegneria e per i Materiali, Universitá di Brescia & Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Gruppo Collegato di Brescia, I-25133 Brescia, Italy


Anyag és antianyag: eltérhetnek egymástól?

Érthetetlen módon, a Világegyetem általunk belátható részében nem látunk antianyag-galaxisokat, pedig az Ősrobbanás után ugyanannyi részecskének és antirészecskének kellett volna keletkeznie a részecskefizika általánosan elfogadott szimmetriaelve, a CPT-invariancia elvének megfelelően. Az utóbbi kimondja, hogy egy mikrorendszer mérhető tulajdonságai nem változnak meg, ha egyidejűleg tükrözzük a rendszer töltését (C, mint charge), térkoordinátáit (P, mint paritás) és időirányát (T, mint time). A Világegyetem észlelt aszimmetriája mégis azt sugallja, hogy anyag és antianyag tulajdonságai - a töltésük előjelén kívül - talán kis mértékben eltérhetnek egymástól. A CERN Európai részecskefizikai laboratórium Antiproton-lassító (AD) berendezése a CPT-szimmetria ellenőrzésére épült, fő célja proton és antiproton, illetve hidrogén és antiatomja, az antiprotonból és pozitronból álló antihidrogén összehasonlítása. Az AD ALPHA-kísérletének nagy idei eredménye antihidrogén-atomok elektromágneses csapdában tartása elegendő hosszú ideig a később várható, nagy pontosságú spektroszkópiai vizsgálatokhoz.

Az AD ASACUSA együttműködése újabb áttörést ért el: precíziós lézerspektroszkópiai vizsgálatokkal sikerült az antiproton tömegét a protonéhoz hasonló pontossággal meghatározni, és az értékek közötti különbség 2x10-9-nél kisebb (Nature, 2011 július 28). Ezt a hihetetlen pontosságot a nemzetközi kollektíva (két-két japán, német és olasz, egy-egy osztrák és angol, valamint négy magyar, az ATOMKI és a KFKI RMKI kutatói, illetve néhai diákjai) úgy érte el, hogy héliumatomban befogott antiprotonokat hosszú és rövid élettartamú állapotok között léptettek két ellentétes irányú, pontosan hangolható lézersugárral gerjesztve. A rezonancia-frekvencia megtalálásakor az antiproton a metastabil állapotból rövid élettartamúba megy át, és azonnal szétsugároz az atommag egy nukleonjával. A két lézersugár használata nagyrészt kiküszöbölte az atomok mozgásából származó spektroszkópiai pontatlanságot, az ú.n. Doppler-kiszélesedést. Ezek a mérések megerősítik a fizikusok többségének meggyőződését, hogy a Világegyetem anyag-antianyag aszimmetriája nem részecske és antirészecske tulajdonságainak eltéréséből ered, illetve segít pontosítani a kozmológiai modelleket. Az AD eredményeitől indíttatva a CERN vezetői úgy döntöttek, hogy antiproton-tárológyűrű (ELENA: Extreme Low ENergy Antiprotons) megépítésével növelik az Antiproton-lassító csapdázási teljesítményét. Az új berendezés átadását 2016-ra tervezik.

Az ábra az ASACUSA kísérlet működését illusztrálja. Az AD antiprotonjai (jobboldalt fent) a radiofrekvenciás utólassítón és egy elhajlító mágnesrendszeren keresztül belépnek a kis (mbar) nyomású, alacsony hőmérsékletű (5 K) héliumgázba, és a héliumatom egyik elektronját helyettesítve hosszú életű antiprotonos héliumatomot képeznek. Két oldalról rendkívül pontosan hangolható lézerekkel besugározva megkeressük az átmenetet rövid élettartamú állapotba, ott az antiproton a lézerbesugárzás pillanatában szétsugároz, amit Cserenkov-számlálóval észlelünk (balra fent). A szétsugárzást előidéző kettős lézerfrekvencia megfelel a keresett antiprotonátmenet energiájának, amelyből az elméleti számításokkal összehasonlítva megkapjuk az antiproton és elektron tömegének hányadosát. A kísérlethez rendkívül fontos volt a lehető legkisebb sávszélességű lézerek használata, amit frekvenciafésű alkalmazásával értek el, hiszen a kétfotonos átmeneti valószínűség növelése céljából a virtuális átmeneti állapotnak, amint azt az ábra baloldala illusztrálja, a lehető legjobban meg kellett közelítenie egy létező közbenső állapotot anélkül, hogy átfedne vele, hiszen az utóbbi esetben két egyfotonos átmenetet idéznénk elő.

Az eredménynek a CERN külön honlapot szentelt:
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR10.11E.html.
Ezen két rövid, angol nyelvű film is látható, a kísérlet leírása, valamint interjú a kísérlet vezetőjével, Masaki Horival (Kvantumoptikai Max-Planck Intézet, München és Tokiói Egyetem). A filmekben megjelenik két magyar munkatárs is, Barna Dániel és Sótér Anna.




Korábban:



2011. augusztus 8.
A 9-year record of stable isotope ratios of precipitation in Eastern Hungary: Implications on isotope hydrology and regional palaeoclimatology

Journal of Hydrology 400 (2011) 144-153.
G. Vodila, L. Palcsu, I. Futó, Zs. Szántó

2011. július 5.
4He+ ion beam irradiation induced modification of poly(dimethyloxane). Characterization by infrared spectroscopy and ion beam analytical techniques

Langmuir 27 (2011) 7:3842
R. Huszánk, D. Szikra, A. Simon, S.Z. Szilasi, I.P. Nagy

2011. május 11.
Activation of Nonlocal Quantum Resources

Phys. Rev. Lett. 106, 060403 (2011)
M. Navascués and T. Vértesi

2011. április 21.
ECR plasma photographs as a plasma diagnostic

Plasma Sources Science and Technology 20 (2011) 025002 (7)
R. Rácz, S. Biri, J. Pálinkás

2011. március 24.
Classical trajectory Monte Carlo model calculations for ionization of atomic hydrogen
by 75-keV proton impact

Physical Review A 82, 052710 (2010)
L. Sarkadi

2011. február 8.
Determining reaction cross sections via characteristic X-ray detection: α-induced reactions on 169Tm for the astrophysical γ-process

Physics Letters B 695 (2011) 419-423
G. G. Kiss, T. Rauscher, T. Szűcs, Zs. Kertész, Zs. Fülöp, Gy. Gyürky, C. Fröhlich, J. Farkas, Z. Elekes, E. Somorjai

2011. január 8.
Evidence for a spin-aligned neutron-proton paired phase from the level structure of 92Pd

Nature 469, 68-71 (2011)
B. Cederwall, F. Ghazi Moradi, T. Bäck, A. Johnson, J. Blomqvist, E. Clément, G. de France, R. Wadsworth, K. Andgren, K. Lagergren, A. Dijon, G. Jaworski, R. Liotta, C. Qi, B. M. Nyakó, J. Nyberg, M. Palacz, H. Al-Azri, A. Algora, G. de Angelis, A. Ataç, S. Bhattacharyya, T. Brock, J. R. Brown, P. Davies, A. Di Nitto, Zs. Dombrádi, A. Gadea, J. Gál, B. Hadinia, F. Johnston-Theasby, P. Joshi, K. Juhász, R. Julin, A. Jungclaus, G. Kalinka, S. O. Kara, A. Khaplanov, J. Kownacki, G. La Rana, S. M. Lenzi, J. Molnár, R. Moro, D. R. Napoli, B. S. Nara Singh, A. Persson, F. Recchia, M. Sandzelius, J.-N. Scheurer, G. Sletten, D. Sohler, P.-A. Söderström, M. J. Taylor, J. Timár, J. J. Valiente-Dobón, E. Vardaci & S. Williams

2010. november 24.
Reactor Decay Heat in 239Pu: Solving the γ Discrepancy in the 4‒3000-s Cooling Period

Phys. Rev. Lett. 105, 202501 (2010)
A. Algora, D. Jordan, J. L. Taín, B. Rubio, J. Agramunt, A. B. Perez-Cerdan, F. Molina, L. Caballero, E. Nácher, Krasznahorkay Attila, Hunyadi Mátyás, Gulyás János, Vitéz Attila, Csatlós Margit, Csige Lóránt, J. Äysto, H. Penttilä, I. D. Moore, T. Eronen, A. Jokinen, A. Nieminen, J. Hakala, P. Karvonen, A. Kankainen, A. Saastamoinen, J. Rissanen, T. Kessler, C. Weber, J. Ronkainen, S. Rahaman, V. Elomaa, S. Rinta-Antila, U. Hager, T. Sonoda, K. Burkard, W. Hüller, L. Batist, W. Gelletly, A. L. Nichols, T. Yoshida, A. A. Sonzogni, and K. Peräjärvi

2010. október 15.
An exactly solvable Schrödinger equation with finite positive position-dependent effective mass

Journal of Mathematical Physics 51, 092103 (2010)
Lévai Géza, O. Özer

2010. augusztus 30.
Interference effect in the dipole and nondipole anisotropy parameters of the Kr 4p photoelectrons in the vicinity of the Kr (3d)-1
np resonant excitations
Phys. Rev. A 81, 043416 (2010)
Ricz Sándor, Ricsóka Tícia, K. Holste, A. Borovik Jr., D. Bernhardt, S. Schippers,
Kövér Ákos, Varga Dezső, A. Müller

2010. július 5.
Nanochannel alignment analysis by scanning transmission ion microscopy

Nanotechnology 21, 295704 (2010)
Rajta István, Gál Gabriella, Szilasi Szabolcs, Juhász Zoltán, Biri Sándor,
Mátéfi-Tempfli Mária és Mátéfi-Tempfli István