First Production and
Detection of Cold
Antihydrogen

RIKEN・CERN藤原 真琴

ATHENA実験 藤原真琴

京都大学
May, May26 26,
2003
Kyoto University,
2003

1

反物質
1927 Dirac predicts the anti-electron
1931 Anderson registers positrons from cosmic rays
1955 Discovery of the Antiproton at the Bevatron
AndersonPaul Dirac

ATHENA実験 藤原真琴

Emilio Segre, Clyde Wiegand, Edward Lofgren
Owen Chamberlain, Tom Ypsilantis
Kyoto University, May 26, 20032

高速反水素の生成• 1992 Munger et al. による提案: pbar + Z → Hbar
• 1996 LEARで~9 個の相対論的反水素生成が報告される

LEAR
1986-1996
詳しい測定はできなかった→低速反水素が必要
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

3

反水素研究の動機
CPT 対称性

重力宇宙論

Cold Antihydrogen
原子物理

トラップ

プラズマ

超高真空

低温

検出器

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

素粒子
レーザー
4

CPT対称性の検証
n パリティとCPは破れている
n CPT定理– 物質と反物質（粒子と反粒子）では• 質量・寿命が等しい• 電荷・
磁気モーメントの大きさが同じ、符号が逆• エネルギー準位が等しい– 定理の仮定
局所場の理論、ローレンツ対称性, ユニタリティ等(議論がある e.g. Greenberg PRL ‘02 vs Barenboim et al. PLB ’02）

n プランク・スケールで成り立つか– 重力 (時空が曲がる) à ユニタリティ？
– ひも理論 à 局所場の理論ではない– 高次元の理論・非可換幾何学à ローレンツ対称性の破れ？

n 最近のCPT理論 (Kostelecky, Ellis, 村山・柳田 etc.)
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

5

最近のCPTおよびローレンツ対称性を破る理論
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n

Robert Bluhm, V. Alan Kostelecký, Charles D. Lane, and Neil Russell
Clock-comparison tests of Lorentz and CPT symmetry in space, Phys. Rev. Lett. 88, 90801 (2002)
V. Alan Kostelecký, Charles D. Lane, and Austin G.M. Pickering
One-loop renormalization of Lorentz- violating electrodynamics, Phys. Rev. D 65, 56006 (2002)
Sean M. Carroll, Jeffrey A. Harvey, V. Alan Kostelecký, Charles D. Lane, and Takemi Okamoto
Noncommutative field theory and Lorentz violation, Phys. Rev. Lett. 87, 141601 (2001)
V. Alan Kostelecký and MatthewMewes
Cosmological constraints on Lorentz violation in electrodynamics, Phys. Rev. Lett. 87, 251304 (2001)
V. Alan Kostelecký and Robertus Potting
Analytical construction of a nonperturbative vacuum for the open bosonic string, Phys. Rev. D 63, 46007 (2001)
V. Alan Kostelecký and Ralf Lehnert Stability, causality, and Lorentz and CPT violation, Phys. Rev. D 63, 65008 (2001)
V. Alan Kostelecký and Ágnes Roberts Analogue models for T and CPT violation in neutral- meson oscillations, Phys. Rev.
D 63, 96002 (2001)
V. Alan Kostelecký CPT, T, and Lorentz violation in neutral- meson oscillations, Phys. Rev. D 64, 76001 (2001)
V. Alan Kostelecký Signals for CPT and Lorentz violation in neutral- meson oscillations, Phys. Rev. D 61, 16002 (2000)
Robert Bluhm, V. Alan Kostelecký, and Charles D. Lane CPT and Lorentz tests with muons, Phys. Rev. Lett. 84, 1098
(2000)
Robert Bluhm and V. Alan Kostelecký Lorentz and CPT tests with spin-polarized solids, Phys. Rev. Lett. 84, 1381 (2000)
V. Alan Kostelecký and Charles D. Lane Constraints on Lorentz violation from clock-comparison experiments, Phys. Rev.
D 60, 116010 (1999)
Robert Bluhm, V. Alan Kostelecký, and Neil Russell CPT and Lorentz tests in hydrogen and antihydrogen, Phys. Rev. Lett.
82, 2254 (1999)
R. Jackiw and V. Alan Kostelecký Radiatively induced Lorentz and CPT violation in electrodynamics, Phys. Rev. Lett. 82,
3572 (1999)
V. Alan Kostelecký Sensitivity of CPT tests with neutral mesons, Phys. Rev. Lett. 80, 1818 (1998)
Robert Bluhm, V. Alan Kostelecký, and Neil Russell CPT and Lorentz tests in Penning traps, Phys. Rev. D 57, 3932 (1998)
D. Colladay and V. Alan Kostelecký Lorentz- violating extension of the standard model, Phys. Rev. D 58, 116002 (1998)

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

6

最近のCPTおよびローレンツ対称性検証
Other Theory
n
n
n
n
n
n
n
n

J. Bachall et al. How accurately can one test CPT conservation with reactor and solar neutrino
experiments? hep-ph/0201211 (2002)
H. Murayama and T. Yanagida LSND, SN1987A, and CPT violation, Phys. Lett. 520B 263 (2001)
N. Isger et al. Background enhancement of CPT reach at an asymmetric phi factory, Phys. Lett. 515B 333(2001)
S. Coleman and S. Glashow High energy tests of Lorentz invariance, Phys. Rev. D 59 116008 (1999)
J. Ellis et al. Phys. Lett. 293B 142 (1992)
P. Huet and M. E. Peskin Nucl. Phys. B 434 3 (1995)
S. Hawking Phys. Rev D 14 2460 (1975)
I. Mocioiu et al., Breaking CPT by mixed non-commutability hep-ph/0108136

Experimental Tests
n
n
n
n
n

M. Hori et al. ASACUSA: anti-protonic helium
V. Hughes et al. Muonium hyperfine structure
H. Dehmelt et al. electron and positron in penning trap
G. Gabrielse et al. proton and antiproton in penning trap
CPLEAR neutral kaon mass difference

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

7

CPTの破れでプランク・スケールの物理を探る
自発的ローレンツ対称性の破れ

Unified Theory

ユニタリティの破れ

Lorentz
CPT symmetry

Planck Scale MPlenergyCPT effects suppressed by
 m 


M n
 Pl 
Standard Model

Lorentz
CPT violation?
Low energy scale m
普通は MPl ~ 1019 GeV「大きな」隠れた次元があれば MPl* ~103 GeV→ CPTの破れも起こるか？
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 20038

反物質に働く重力物質に働く重力と同じか？
直接測定はない
CPT 定理とは独立

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 20039

バリオン創生: 反物質はどこへ消えた？
n 宇宙の物質ｰ反物質非対称
物質はなぜ生き残ったのか
n 標準的なシナリオ:
サハロフの３条件- バリオン数の破れ- CとCPの破れ- 熱非平衡状態

n 標準模型を超える物理が必要- CKM行列によるCPの破れは小さすぎる- MSSMも厳しい？

n 他のやり方があるか？
àCPTの破れによって反物質を壊す
A.D. Dolgov, Ya.B. Zeldovich, Rev. Mod. Phys. 53, 1 (1981)
O. Bertolami et al., Phys. Lett. B 395, 178 (1997)
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200310

反物質研究の動機（一般向け)「
反物質で宇宙の起源・「反物質で宇宙の起源・
異次元世界を探る」
異次元世界を探る」

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200311

これまでのCPT検証
n 中性Kaon解析
モデル依存– e.g. Bell-Steinberger relation– Possible CPTV suppressed
MKL-MKS (10-15)(e/m)– 10% test of CPTV interact.
(小林・三田1992)n CPTの破れのパターンは、全く分からない
すべての粒子で精密検証すべき2000

Relative Accuracy à 何で割るかが問題
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200312

長期目標：反水素の精密分光
n 水素原子の2光子分光の進展

2s

2p

1s
水素との比較によりCPT高精度検証を目指す
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

13

ATHENA Phase-Iの目標
冷たい反水素原子をつくる（大量に、誰よりも先に）
10-12

10-9

AD

Na-22

p- Production (GeV)

e+ Production (MeV( MeV))

Deceleration (MeV)
Trapping (keV)
Cooling (~ meV)104 p-

108 e+

Accumulation (eV( eV)
Plasma diagnosis/manipulation

Cooling ( ~ meV
meV))

p- and e+ in mixing trap

Antihydrogen formation
Detection of annihilation
ATHENA実験 藤原真琴

Moderation

Kyoto University, May 26, 2003

• 実験技術の組合せ• 激しい競争14

CERNの反陽子減速施設
AD:Antiproton Decelerator

Pbar:
3.5 GeV/c

AD
P: 26 GeV/c

100 MeV/c•唯一の低速反陽子施設•日本が建設に多大な貢献
ATHENA実験 藤原真琴

• Pulsed beam:
4×107 /pulse, every 100 sec• 3 experiments at AD:
Asacusa --- pbar-He, collisions
Athena --- antihydrogen
Atrap --- antihydrogen

Kyoto University, May 26, 2003

15

CERN-AD における３実験

ATRAP

ATHENAASACUSAATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

16

冷たい反水素の生成「冷たい反物質をめぐる熱い闘い」

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

17

2000年までの状況 (反陽子国際会議LEAP00)n ATHENAn ATRAP– 反陽子捕獲– 反陽子捕獲– 反陽子の電子冷却– 反陽子の電子冷却– 反陽子積み重ね– 陽電子蓄積– 反陽子ｰ陽電子相互作用– 反陽子の陽電子冷却

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200318

LEAP 2000以降の進展
June 2001

July 2001

Sept 2001

Dec 2001

Pbar lifetime>10 hours

Pbar transfer
between traps

Pbar Vertex
Imaging

25M positrons
in 3T

July 2002

Detailedstudies

First indications

Aug 27

Sep 3

Sep 18 2002

Hbar paper Hbar paper Published in
accepted Nature on-line
submitted
Oct 31
ATRAP
published

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

19

ATHENAの現状
n 131± 22 の Golden Events に基づいて反水素生成を報告
à50000 個以上の冷たい反水素
n しかしこれは非常に控えめなLower Limitだった
n 新しい予備結果：– ~1 million 反水素の生成– 高い生成率 >100 Hz– その他、各種測定

n 将来への展望

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

20

ATHENA 国際共同実験

TOKYO-RIKEN
早野龍五, 船越亮, 藤原真琴
山崎泰規,桧垣浩之, 山崎敏光

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

21

ATHENA 全体像
Antiproton Accumulation&
Mixing with positrons

Na-22
Source(室温)

Cryostat

Positron Accumulatore+

3 T superconducting solenoid(6K)

Antiproton
Capture TrapDetector Mixing Trap
140K
10-8 torr

0

15K<10-13 torr

CsI crystals
Antihydrogen
Detector
Si strip
detectors

ATHENA実験 藤原真琴

1m

0

10 cm

Kyoto University, May 26, 2003

ATHENA Features••開放システム
開放システム(室温部分を含む)(室温部分を含む)++源••強力なe
強力なe 源••プラズマ制御
プラズマ制御••高度な検出器
高度な検出器22

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

23

冷たい反水素原子の生成

August 2002 ATHENA

n
n
n
n
n

104 pbars と108 e+ を トラップ中で混合
反水素生成、電極壁に衝突し消滅
反陽子が消滅、数個の荷電π中間子放出e+が２つの back-to-back γに消滅
バーテックスからみた２つの511keV γの開き角度、opening angle cos(θγγ)
n 角度相関のないγがバックグランド（中性π）

104 pbars

108 e+

Monte Carlo
Si strips

θ4 γγpbarsAnnihilation
10Hbar108 e+

Hbar

2.5 cmHbar Formation
Hbars

θγγ

3T

CsI crystals
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200324

反陽子の捕獲と冷却
a) Degrading

Solenoid - B = 3 Tesla
e-

t=0s

Antiprotons
DegraderCold electron cloud[cooled by Synchtrotron Radiation, τ ~ 0.4s]
99.9% lostb) Reflecting
0.1%

E<5kV

Potential

t = 200 ns

Segmented Si (67 µ) beam
counterc) Trapping

Potential

t = 500 nsc) Cooling
Potential[through Coulomb interaction]t ~ 20 s

Antiproton Capture Trap

104 反陽子を捕獲・冷却後の混合トラップへ移動、電子除去
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200325

反陽子の電子冷却

n 冷却時間 〜20-40 sec
n 冷却効率>80%n 寿命 > 10 hn 反陽子のトラップ間の移動
n 移動後、電子の除去

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200326

陽電子の蓄積
窒素バッファ・ガスのよる散逸を用いた陽電子蓄積(concept by C. Surko et al., Non-neutral plasmas Vol. 3, 3-12; AIP 1999)

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200327

陽電子の蓄積

22Na

SourceSolid Ne
Moderator

NN22Buffer
BufferGas
GasCooling
Cooling

PlasmaCompression

Transfer into
3T magnet

75 million 冷たい 陽電子 / 5 min
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

28

ATHENAの陽電子蓄積装置

ATHENA

ATRAP×10

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200329

反陽子と陽電子の混ぜ合わせ
Antiproton Accumulation&
Mixing with positrons

Na-22
SourceCryostat

Positron Accumulatore+

3 T superconducting solenoid

Antiproton
Capture -125
TrapDetector MixingTrap

01m

antiprotons

CsI crystals-100

Antihydrogen
Detector-75

Si strip-50
detectors

0
0

10 cm
2

4

6
8
Length (cm)

10 8

ATHENA実験 藤原真琴

10

12

104

Kyoto University, May 26, 200330

反陽子と陽電子の相互作用
with electrons

antiprotons with electrons

-60
-40
-20
0

190s mixing

2

4

6

8

10

12

antiproton cooling by positrons

-60
-40
-20

0

2

No Positrons

4

6

8

10

12

antiprotons at injection
-60
-40
-20

0

High

ATHENA実験 藤原真琴

PotentiallLow

Kyoto University, May 26, 2003

2

4

6
8
Length (cm)

10

12

31

新しいプラズマ診断と操作の方法
Submitted to Phys. Rev. Lett.

等価回路モデル
高周波プラズマ加熱

非破壊的
同時決定

プラズマ形状, 密度,
粒子数,
プラズマ温度
反水素生成中のオンライン・プラズマ観察
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

32

プラズマ振動測定
Plasma Modes Measurement during Mixing

Higaki’s suggestion• No significant changes
in e+ plasma shape due
to pbar injection

Pbar injection into positrons• gamma detector rates
consistent with hbars• No evidence foranomalous plasmatransport due to pbars

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200333

反水素生成過程e++

冷たい粒子が必要
陽電子加熱による反水素生成の抑制

Energy-momentum conservation requires 3rd body
Radiative
Three-body
Cross-section [cm2]10-16 (1 K)

10-7 (1 K)

Rate T dependence

T-0.5

T-4.5 à stabilization

Final quantum staten < 10n >> 10

Stability (re-ionization)

high

low

Expected rates~10s Hz???

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

34

ATHENA 反水素検出器

Operated at 140K, 3T, small space• Si microstrips: 2 layers ~8000 ch• CsI read out by APD: 192 ch

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200335

検出器読み出し概略
V551
Sequencer

Ch 256

Si Outer

VA2/TA
VA2/TA
VA2/TA

Crystal

VA2/TA
VA2/TA
VA2/TAATHENA実験 藤原真琴

Up to
5 MHz
Sequential R/O

V550
V550
Flash V550
ADC
Flash ADC
Flash ADCMXIBusPCI Bus

Si Inner

V550
V550
Flash V550
ADC
Flash ADC
Flash ADC

VA2/TA
VA2/TA
VA2/TA

VME Bus

Ch1

V550
V550
Flash V550
ADC
Flash ADC
Flash ADC

Kyoto University, May 26, 200336

トリガー概略
Level 0Level 1TA
Si innerTA
Si outerTA
CrystalExternal
Scintillators

Repeater Card
Multiplicity Cuts

Level 2Time
Stamp
Modules

Programmable Logic
VME Busy
Trap Movements
Pbar/Positron
VA Readout Trigger
50-100 Hz

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200337

反水素検出器 – 反陽子バーテックス
Antiproton Annihilation (example)- into three charged particles- hits on strips (r-phi) and pads (z) , inner/outer layer- 3 crystals hit by tracks- vertex reconstruction s ~ 3-4 mm (curvature @ 3 T)

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

38

実時間反陽子イメージング
Event Display

to be published

3D Image of pbar annihilation

XY projection

ATHENA実験 藤原真琴

YZ projection

Kyoto University, May 26, 2003

39

Pbar Imaging: Localized annihilations
to be submitted to Phys. Rev. Lett.

Pbar-only (with electrons)

XY projection

ATHENA実験 藤原真琴

YZ projection

Kyoto University, May 26, 200340

時間分解プラズマ視覚化
70
60

Antiprotons and electrons

Late times

50
40
Potential

30

Early times

20
10
Potential

0
-10

-5

0

5

10

Longitudinal Position [cm]Powerful plasma and loss diagnostics !
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200341

反陽子消滅によるZ 位置較正
Antiproton well in R13
Antiproton well in R16

R25

6
R21

4

2

R19

R18

-6

-4

-2

2

R16
R15

R13

4

6

-2

-4

R12

-6
R13

R16

R18

Electrode position [cm]ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

42

CsI スペクトラム （511 keV γ線）
192 Pure CsI read out via APD

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200343

冷たい反水素生成の信号 August 2002 ATHENA
Amoretti et al., Nature 419 (2002) 456
200
180

200
Cold mixing

Antiprotons only

180

Cold mixing (displaced E window)γ

Hot mixing
160
140

160

131±22 Golden Events

140cos(θγγ) < -0.95

120

120

100

à >50000 Cold
Antihydrogen
100

80

80

60

60

40

40

20

20

0
-1

-0.5

0

0.5

1

cos( θγγ)

0

-1

0

0.5

1

cos( Θγγ)

with
Background 1. Hot-Mix: mixing
RF heated e+ (~3000K):
Measurementsàturning off Hbar formation

ATHENA実験 藤原真琴

-0.5

2. Pbar-Only annihilation ininteraction region
3. Displaced Eγ window(NB: random coinc negligible)

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44

ATHENAが勝った！
Nature, September 18, 2002

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

45

ATHENA in the News September 19, 2002

読売新聞

International Herald Tribune・一面
Guardian・社説
Financial Times
USA Today
Le Monde (France)
解説面
Die Welt毎日・(Germany)
Spiegel (Germany)
Tribune de Geneve (Switzerland)
El Mundo (Spain)
Corriere della Sera (Italy)
Ingeniøren (Denmark)Dagens Nyheter (Sweden)
Helsigin Sanomat (Finland)
日経新聞
Spits (Netherlands)
朝日新聞
Gazeta Wyborcza (Poland)
The Times of India (India)
etc…

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

毎日新聞一面46

2002年の重大科学ニュースn 英物理学会Physics World ：2002年のトップ１物理ニュースn 米物理学会Physics News Update ：同率トップ１ニュース(SNO)
n 一般科学雑誌ディスカバー ：トップ４科学ニュース
n ネイチャー：2002年のハイライトの一つn サイエンス：来年（2003年）の注目株…

n ネット・カルチャー雑誌 Wired Magazine：
Annual Rave Awards Nomination「今年新しい文化を創った人々」(Eminem, スピルバーグ, 宮崎駿)
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

47

Y
R
A
N
I
ATHENAその後の結果
M
I
L
E
PR

ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

48

Golden Event を超えてGolden Event Selection
200
180

Hbar

Cold mixing
Hot mixing

160
140
120

~50%

131± 22 Golden
Eventsapprox. cut
efficiency

ChargedVertex

100

~10%

80

Opening Angle(2×511 keV g)

60
40
20
0
-1

~5%
-0.5

0

cos( θγγ)

0.51Golden Events Total: ~0.25%

n Very restrictive cuts: threw away >99.7% of eventsn Can we make connection between Hbars and Vertices?
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200349

γ角度分布の平らな部分
γ undetected

Flat part is also Hbars
Monte Carlo

Si strips
108 e+ Real Hbar Event

2.5 cm104 pbars

Hbar only

θγγ

CsI crystals

3T

γ undetected

Hbar event can have >two 511keV γs, but not all are detected (eff. ~20%)
e.g. one γ from pbaràpion shower, another γ from e+ in Hbar:
can give opening angles, cos(θγγ) ≠ -1
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200350

モンテカルロ・シミュレーション
Pbar-Only Data
EXP
MC•GEANTフル・シミュレーション•検出器の位置はCADから•モジュールごとの検出効率を較正•シミュレーションと実験解析に同じ
ソフト

Vertex radial distribution (cm)
Red:MCBlack:EXP

511 keV γ multiplicity
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 200351

γ角度分布のフィット
Fit Input MC

Fit Result

Hbar

Data
Fit
Background
Backgroundcos(θγγ)• Good agreement between Data and MC fitcos(θγγ)ATHENA実験 藤原真琴

• Indicates 2/3 of the entries are Hbars(not only the peak)
Kyoto University, May 26, 200352

反陽子消滅バーテックス（γカットなし）
Cold Mixing

Hot Mixing

主に反水素が壁に当たって消滅（＋残留気体バックグランド）

反陽子が残留気体・イオンと消滅

シミュレーションを使ってCold Mixingの分布を
反水素成分とバックグランド成分に分解àSignal ~60%; background ~40%
ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

53

バーテックス空間分布のフィット
Hbar (MC)BG (Hot Mix)

Cold Mix Data

Fit Result

Pbar Vertex XY Projection (cm)Fit Result

Pbar vertex R distribution (cm)ATHENA実験 藤原真琴

Kyoto University, May 26, 2003

54

フィット結果 (Preliminary）
γ γ opening angle

Vertex XY distribution
Vertex R distribution
Two γ events yield
Charged trigger yield

Hbar fraction in during mixing(ave. over 180 sec)

~65 ±10 %~700k reconstructed vertices à ~400k Hbars

In 2002, ATHENA produced~ One Million Hbars!

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55

反水素の高効率生成
Initial hbar rate
>100 HzLog scale
Hbar signal
Background

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消滅位置分布のフィットにより、シグナ
ルとバックグランドの時間的変化をとりだすことが可能Antihydrogen produced withHigh Initial Rate (>100 Hz)
High Signal-to-Background(up to ~10:1)

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Produced Antihydrogen vs YearATHENA
Number of Hbars

preliminary

ATRAP
ATHENA

Fermilab
LEAR

Year
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反水素生成の温度依存性
T dependence gives information of formation mechanism
e.g. radiative vs 3-body formation“Hot Mix”• Positron plasma heating via RF• Temperature calibrated bymodes measurements

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RF Heating58

反水素生成の温度依存性（生成過程による）
High statistics for:1) no heating“COLD MIXING”
2) ∆T: 15 ± 15 meV~175 K
3) ∆T: 43 ± 17 meV~500 K
4) ∆T: 306 ± 30
meV~3500 K
“HOT MIXING”

Very different
trigger rate
behavior

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59

２γ角度分布の温度依存性

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60

Hbar Temperature dependenceanti-hydrogen atoms

Room Temperaturetemperature change

Preliminary: systematics being studied
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反水素生成のパルス化
Vertex Counts

RF heating of e+ to switch off formation

Heat On

Heat On

Vertex Z position

Mixing time
Mixing time (sec)

Mixing time (sec)

sec

sec

A
A Pulsed
Pulsed Source
Source onon Cold
ColdAntihydrogen
Antihydrogen !!
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反水素生成のパルス化(dN/dR)/R

Heat OFF(Hbar ON)Heat ON(Hbar OFF)

Vertex radial distribution (cm)ATHENA実験 藤原真琴

Gamma opening angle cos(θγγ)

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反水素生成のパルス化

Heat OFF

Rise time contains Physics

Heat On/Off every 3 sec
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• Positron Plasma Cooling time
• Hbar formation temperaturedependence

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反水素生成のパルス化

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反水素生成のパルス化

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反水素生成のパルス化
n Positron temperature evolution:
dTe+
dt

=−

1
(
Te+ − T fin )
τc

 t 
Te+ = Tinit exp −  + T fin τc 

n Hbar rate: fit with

P
 t 
R(t ) = bkgd + norm × Tinit  exp −  + T fin  τc 

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反水素生成のパルス化
 t 
Te+ = Tinit exp −  + T fin τc 

P t 
R (t ) ~ Tinit  exp −  + Tfin  τc 

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Modulation of Hbar Production
Heat OFF
Tinit~
3000K• P.O. Fedichev
Phys. Lett. A. 226 (1997) 289
T-0.8 for stabilized Hbar from 3body recommbination

Heat OFF
Tinit~
15000KATHENA実験 藤原真琴

• Fits suggests ~T^(-1) scaling• Synch. Cooling ~ 0.4 sec• Final Temp ~ 100 k• B. Zygelman
J. Phys. B 36 (2003) L31

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反水素放出の角度分布
放出角度は実験上重要

Vertex Z Distribution• Detected Antihydrogen:~isotropic• Some radial component
possible• Focused “beam” excluded

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75 million 陽電子による反陽子冷却To be submitted Phys. Rev. Lett.

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PET Imaging of Positron Plasma
Simulations

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将来展望

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将来展望
n 反水素生成過程の理解・最適化– トラップ中のダイナミクス– 反水素の量子状態– 生成を最適化（例えばRFQ減速器で×１００）

n レーザー分光へ向けて– 反水素分光をまず“in-beam”でやる– いくつかの方法を検討中（イオン化、誘導再結合）– ASACUSAは超微細構造測定を提案– 反物質は中性か？

n もっと冷たい反水素（長い道のり）– 反水素トラップ– レーザー冷却、反物質波、反物質BEC– 反物質重力測定
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レーザー分光: 光イオン化
3 photon ionisationE

Two laser ionization

P ~ 1/∆E
243 nm/ 364 nm

Dye Laser (243 nm):P = 40 mW (243nm)

243 nm

Ar+ Laser:
P(363.8+351nm) = 700 mW

P ~ I2243 nmRates
depend on interaction time,_
H production rate, but are small.

_

H must be in 1S state!

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レーザー誘導による反水素生成
Stimulate hbar formation from continuum
2-step process (reduces required power)
continuumànd ; followed by ndà2p

Pulse

CW

3d: 820 nm

3d à2p: 656 nm

4d: 1459 nm

4d à2p: 486 nm

5d: 2279 nm

5d à2p: 434 nm…

…

11d: 11.1 µm

11dà2p: 377 nm

どの方法も極めてchallenging
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反物質は中性か？
Charge quantization, (anti)matter neutrality– Experimental fact (cf. anomaly cancellation)– Put in “by hand” in the Standard Model

Limits on |δq/q|
positroninum
−8
4×10
−

e

e+

SF6 gas
10−21

?
p+

(cycl freq: 10−10)

p atoms
2×10−5ATHENA実験 藤原真琴

2 bodyDirectppe−He atom
<6×10−8

3 body calc.
neededKyoto University, May 26, 200377

反物質は中性か？
Based on H2 molecular beammeasurement by Zorn, Hughes et al.

Force F by the field E
F=qE+∇(d・E)+ 1/6∇(ΜQ ・∇E)+・・・
Reversing the field sign, 2nd term
cancels. (3rd term small)
原理的には
q < 10-15 ~ 10-16可能
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反物質 ボーズ・アインシュタイン凝縮?
Atom laser with BEC at JILA, MIT「過去数年の間に反水素の生成は”totally visionary”
から“merely very difficult”に進歩した」
D. Kleppner, 1992年
反水素ワークショップのまとめ

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まとめ
n ATHENAは世界で初めて冷たい反水素原子を生成– 決め手は、強力な陽電子源、高度な検出器、プラズマ操作

体育会系的がんばり！
n その後の結果(preliminary):– これまで既に~1 Million の反水素を生成– 高生成率 > 100 Hz– 反水素生成のパルス化– 温度依存性– その他多くの物理: プラズマ振動、粒子混合仮定、反水素放出角度

n レーザー分光を準備中（難しい！）n 冷たい反水素の物理は始まったばかり

請うご期待!
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