מאט האנטיפרוטונים

מאט האנטיפרוטונים (Antiproton Decelerator- AD) הוא טבעת אחסון במרכז CERN לחקר פיזיקת חלקיקים הנמצא בסמוך לעיר ז'נבה שעל גבול שווייץ-צרפת. מתקן זה נבנה בשנת 2000 כהמשך דרכה של טבעת ה-LEAR אשר פעלה עד שנת 1996. מטרתו של המתקן להוות אבן דרך חדשה למציאת תגליות מדעיות, כגון: מציאתן של תכונות אנטי מימן ובדיקה כיצד אנטי חומר מגיב לכוח הכבידה, באמצעות אלומות של אנטי פרוטונים.

מטרת מאיץ חלקיקי האנטי חומר

מאט האנטיפרוטונים הוא מתקן יחיד מסוגו בעולם. המתקן מסוגל ללכוד אנטיפרוטונים ולהאט אותם למהירויות שבהן מדענים יוכלו ללמוד עליהם - על תכונותיהם ועל התנהגותם.
מחקרים שנעשים בטבעת זו, מחפשים אחר הבדלים בהתנהגותם של החומר והאנטי חומר (אנטי חומר- הוא חומר שמרכיביו הם אנטי-חלקיקים. אנטי-חלקיקים דומים לחלקיקים בתכונותיהם: מסתם, גודל הספין שלהם וגודל מטענם החשמלי, אך מטענם החשמלי הפוך).
מתאוריית המפץ הגדול אפשר להניח כי היקום הנוצר הכיל כמויות שוות של חומר ואנטי חומר, אולם כיום נראה כי היקום מכיל חומר בלבד. חוקרים סבורים כי אם קיימים, וימצאו, הבדלים ביניהם, הם עשויים לסייע לנו להבין מדוע אין כיום עדויות לאנטי חומר ביקום, ולאן הוא 'נעלם' לאחר היווצרותו במפץ הגדול.

אופן פעולה

מתקן ה-AD הוא טבעת אחסון שאורכה 182 מטר (היקף קטן יחסית לעומת היקפו של מאיץ ה-LHC שהיקפו 27 קילומטרים) המשמשת להאטה ומיקוד של אלומת אנטיפרוטונים בו ברגע שהם מגיעים מהסינכרוטרון PS (מאיץ חלקיקים מעגלי שחלקיקים טעונים מואצים בו כך שגודל מהירותם משתנה באמצעות שדות חשמליים משתנים, ושינוי כיוון תנועתם מתבצע באמצעות שדות מגנטיים המשתנים בהתאם) במהירות גבוהה מאוד. האנטיפרוטונים נכנסים לטבעת ה-AD בעצמה גבוהה ומתפזרים לכיוונים שונים ובמהירויות שונות בטבעת. משימתה הראשונה של הטבעת הוא למקד את חלקיקי האנטיפרוטונים אל תוך אלומה מסודרת הניתנת לשליטה. הדבר נעשה בעזרת שיטה הנקראת "קירור סטוכסטים" (stochastic cooling)- טכניקה המשמשת ל"קירור" דרגות החופש החיצוניות של היונים ומבוססת על מטען חשמלי המושרה על ידי היונים. באמצעותה מודדים את אלומת האנטיפרוטונים בצד אחד של הטבעת ומבצעים ישירות התאמה בין מידותיה למידות הטבעת עוד לפני שהספיקה לעבור לצד השני של הטבעת.
לאחר התאמת האלומה לטבעת, תהליך ההאטה מתחיל. תהליך זה מורכב כיוון שלאלומה יש נטייה להתרחב כשהיא מאיטה. תהליך ההאטה כולל מספר שלבים. השלב הראשון הוא באמצעות שימוש שדות חשמלים בתדרי רדיו שונים, כך שמהירות האלומה יורדת מ-3.57 GeV/c ל-2 GeV/c.
לאחר מכן מתבצע שימוש במגנט בעל שני קטבים, השומר את הקרן בתנועה במסלולה המעגלי במאיץ ובזרימה סביב הטבעת, ובמגנט ארבע קוטבי השומר עליה ממוקדת. כאשר מהירות האלומה מגיעה ל-300 MeV/c, השלב השני מתחיל. שלב זה נקרא "קירור אלקטרונים".
במהלך שלב זה נע ענן סמיך של אלקטרונים בכוון אלומת האנטי-פרוטונים ומקרר אותה עוד יותר, מה שעוזר גם כן לאלומת הפרוטונים להתיישר בכוון בו היא נעה. תהליך זה דומה לערבוב מים חמים עם מים קרים עד להפיכתם למים פושרים.
כאשר האלומה הואטה למהירות של 100 MeV/c, חלקיקי האנטי פרוטונים ניתנים ללכידה עבור ניסויים.
הם מועברים בקבוצות (כקבוצה אחת לדקה) שבכל אחת מהן כ-10 מיליון חלקיקי אנטיפרוטונים. מספר זה של אנטיפרוטונים נדרש על מנת שמדענים יוכלו לבצע ניסוי.

מאיץ ה-ELENA

מאיץ האלנה  הוא מאיץ שצורתו צורת משושה ואורכו כ-30 מטרים, הממוקם בתוך מפעל האנטי חומר (AD) במעבדת CERN. מאיץ זה נועד להאט את אלומת האנטיפרוטונים עד לרמת אנרגיה של 0.1 MeV על מנת לאפשר לחוקרים לבצע מדידות מדויקות יותר, והוא עתיד להיות בתפקוד מלא בשנת 2017.
אלומת האנטיפרוטונים הראשונה שנעה במאיץ הייתה בתאריך 18 בנובמבר 2016.
GBAR הוא הניסוי הראשון שעתיד להשתמש באלומה ממאיץ האלנה.

ניסויי מאיץ ה-AD

במאיץ ה-AD ישנם מספר ניסויים ולכל אחד מהם היכולת ללכוד חלקיק אנטי חומר ולחקור את התנהגותו ותכונותיו, ולאחר מכן ניתן להשוות זאת עם התנהגות חלקיק החומר. ארבעת הניסויים העיקרים במסגרת המאיץ הם- ALPHA ,ASACUSA, ATRAP ,BASE. שני ניסויים נוספים ה-AEGIS ו- GBAR, מתוכננים לחקור את השפעת הכבידה על האנטי-חומר.

ניסוי ALPHA

החל ב-2 ביוני 2005. הניסוי "אלפא"  נועד ללכוד אטום אנטי-מימן נייטרלי באמצעות מלכודת מגנטית. המטרה העיקרית של ניסוי זה הוא לבחון סימטריית CTP של אנטי מימן (סימטריה של חוקי הטבע הבסיסיים להפעלה בו-זמנית של שלוש פעולות בדידות שהן: היפוך מטען (C), היפוך מרחב (P) והיפוך זמן (T).), באמצעות השוואת סקלת (ספקטרום) רמות האנרגיה באטום מימן ובאטום אנטי-מימן.

ניסוי ASACUSA

החל ב-12 בפברואר 2002 .
מעבר לכך, זהו אמצעי למדידת חתכים רוחביים גרעיניים-אטומיים של אנטיפרוטונים, למטרות שונות, באנרגיות נמוכות מאוד.

ניסוי GBAR

ניסוי זה  הוא הראשון שעתיד להשתמש באלומה ממאיץ האלנה.
ניסוי זה נועד על מנת למדוד את תאוצת הנפילה החופשית של אטומי האנטי- מימן הנייטרליים הקרים ביותר- הקיימים בתחום הכבידה של כדור הארץ, ובכך לבדוק את ההתנהגות הכבידתית של אטומי אנטי מימן במנוחה.

ניסוי ATRAP

החל ב-12 בפברואר 2001 . מטרתו לטווח היא ליצור לייזר מדויק של מדידת רמות אנרגיה או ספקטרום של תדרי קרינה אלקטרו-מגנטית של אטומי מימן, כדי להפוך את בדיקות ה CPT למחמירות יותר.

ניסוי BASE

החל ב-5 ביוני 2013 . ניסוי העוסק בסימטריה של משפחת החלקיקים התת-אטומיים, והאנטי באריון.
זהו שיתוף פעולה רב לאומי- בין יפן וגרמניה, אשר מטרתו לחקור ברמת דיוק גבוהה את התכונות הבסיסיות של אנטיפרוטון.

ניסוי AEGIS

החל ב-28 בספטמבר 2014. ניסוי זה  כרגע בשלבי הקמה כחלק ממפעל האנטי חומר.
ניסוי זה ינסה לקבוע האם כבידה משפיעה על אנטי חומר באופן שהיא משפיעה על החומר, בעזרת בדיקת השפעתה על אלומת אנטיפרוטונים.