Annihilationstudien mit langsam extrahierten Antiprotonen

Es ist bekannt, dass alles, was wir beobachten, von den kleinsten Objekten unseres täglichen Lebens bis hin zu fernen Sternen und Galaxien, einschließlich aller bekannten Lebensformen, aus Materie besteht. Nach der führenden Theorie über die Erschaffung unseres Universums hat der Urknall jedoch gleiche Mengen an Materie und Antimaterie hervorgebracht, da die Teilchenerzeugung aus Energie immer paarweise passiert. Jedes Paar besteht aus einem Teilchen und seinem entsprechenden Antiteilchen mit der gleichen Masse, aber entgegengesetzter elektrischer Ladung. Wenn solche Partner wieder in Kontakt kommen, heben sie sich gegenseitig auf und setzen Energie frei, während sie sich gegenseitig vernichten. Wenn Materie und Antimaterie zusammen erzeugt und zerstört würden, sollte das Universum anscheinend nichts als übrig gebliebene Energie enthalten. Der Grund für den Überschuss an Materie im heutigen Universum ist immer noch eines der größten Rätsel der modernen Physik. Aufgrund dieses ungelösten Problems haben Physiker in den letzten Jahrzehnten erfolgreich Antimaterieteilchen im Labor hergestellt und untersucht. Heute werden Antiprotonen, die Antimaterie-Gegenstücke von Protonen, routinemäßig am Antiproton Decelerator am CERN hergestellt, und sogar Antiwasserstoff, das einzige bisher synthetisierte Antimaterie-Atom, wird in verschiedenen Experimenten eingehend untersucht. Die Messungen der verschiedenen Eigenschaften und Wechselwirkungen von Antimaterieteilchen werden mit den entsprechenden Materieteilchen oder mit Physikmodellen verglichen, um nach subtilen Unterschieden zu suchen, die auf den Grund hinweisen könnten, warum unser Universum mit Materie gefüllt ist. Die Annihilation von Antiprotonen mit Protonen oder Atomkernen unter Erzeugung neuer Teilchen, ist einer der Schlüsselmechanismen bei der Wechselwirkung zwischen Materie und Antimaterie. Darüber hinaus ist es die einzige Methode, Antiwasserstoff in den Antimaterieexperimenten am CERN nachzuweisen. Gegenwärtig sind die Mechanismen der Antiprotonenannihilation mit Kernen bei niedrigen Energien noch nicht gut bekannt, und die verschiedenen Modelle machen abweichende Vorhersagen. Dieses FWF-Projekt zielt darauf ab, das vollständige Bild der Antiprotonenvernichtung mit verschiedenen Atomkernen aufzudecken, indem alle geladenen Teilchen nachgewiesen werden, die aus einer solchen Wechselwirkung hervorgehen. Dies wird einige der unbekannten Merkmale von Vernichtungsprozessen beleuchten und zur Überprüfung verschiedener Physikmodelle beitragen, während möglicherweise neuartige Kernphysikprozesse identifiziert werden, die in diesen Modellen noch nicht enthalten sind. Die Messungen werden beim ASACUSA-Experiment am CERN stattfinden, das aufgerüstet wird, um sehr langsame Antiprotonen auf verschiedene nukleare Proben zu lenken. Ein Teil des Projekts wird der Simulation und Abschätzung der Machbarkeit eines neuen Experiments gewidmet sein, bei dem erstmals eine sehr seltene exotische Vernichtung zwischen einem Antiproton und Helium-3 beobachtet wird.

In diesem Projekt haben wir uns zum Ziel gesetzt, einen der faszinierendsten Prozesse der Physik zu verstehen: Was passiert, wenn Antimaterie auf normale Materie trifft? Wir haben uns auf Antiprotonen konzentriert - die Antimaterie-Gegenstücke der Protonen-und untersucht, wie sie mit Atomkernen interagieren, wenn sie in sehr dünnen festen Materialien zum Stillstand kommen. In den meisten Fällen vernichten sich das Antiproton und ein Teil des Kerns gegenseitig, das heißt, sie verschwinden unter Freisetzung einer erheblichen Energiemenge und erzeugen eine Vielzahl neuer Teilchen. Diese Teilchen können - je nach Masse des Kerns-sehr unterschiedlich sein. Ihre Detektion und Identifizierung liefert wertvolle Hinweise auf den Mechanismus des Vernichtungsprozesses. Obwohl dieser Prozess seit Jahrzehnten untersucht wird, ist er noch immer nicht vollständig verstanden, insbesondere bei sehr niedrigen Energien und in komplexen Kernen. Unser Ziel war es, diese Vernichtungen mit beispielloser Präzision zu beobachten und die Daten zur Verbesserung bestehender theoretischer und simulativer Modelle zu nutzen. Um dies zu erreichen, haben wir einen neuen Versuchsaufbau und eine neuartige Analysemethode entwickelt, bei der modernste Pixeldetektoren namens Timepix4 zum Einsatz kommen. Durch die Anordnung mehrerer Detektoren in einer kastenförmigen Geometrie um ein dünnes Folienziel konnten wir detaillierte Bilder der bei jeder Annihilation entstehenden geladenen Teilchen aufnehmen und den dreidimensionalen Punkt rekonstruieren, an dem die Annihilation innerhalb des Ziels stattfand. Wir konnten Teilchen erkennen, die in alle Richtungen austraten, und so untersuchen, wie sie sich nach der Annihilation ausbreiteten. Mit den von uns entwickelten Algorithmen waren wir in der Lage, diese Teilchen zu verfolgen und den Annihilationspunkt mit Submillimeter-Genauigkeit zu bestimmen. Unsere Messungen wurden in der Antimateriefabrik des CERN durchgeführt - dem derzeit einzigen Ort weltweit, an dem Antiprotonen mit niedriger Energie für physikalische Untersuchungen bereitgestellt werden können. Dabei kamen die Antiprotonenfalle und die Strahlführung des AEgIS-Experiments sowie neun verschiedene Zielmaterialien zum Einsatz. Die Experimente ermöglichten es uns, die Anzahl und Energien der emittierten geladenen Teilchen zu erfassen und aufzuzeigen, wie die Emission vom jeweiligen Zielkern abhängt. Die Analysephase des Projekts ist im Gange, und erste quantitative sowie qualitative Ergebnisse werden in Kürze erwartet. Um zuverlässige Endergebnisse zu erhalten, validieren wir die Datenanalysemethoden - insbesondere die Algorithmen -, kalibrieren die Detektoren sorgfältig und vergleichen die Ergebnisse mit theoretischen Simulationen. Dieses Projekt liefert einen der bislang umfassendsten Datensätze zu Niedrigenergie-Antiprotonenvernichtungen in verschiedenen Materialien und ermöglicht so die Verbesserung aktueller Modelle sowie ein tieferes Verständnis der Reaktion von Antimaterie mit Materie. Im weiteren Sinne ist die Antiprotonenvernichtung ein grundlegender Prozess, der auch bei der Untersuchung von Antiwasserstoff eine zentrale Rolle spielt. Damit leistet diese Forschung einen wichtigen Beitrag zu einer der grundlegendsten Fragen der Teilchenphysik - der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie - und zeigt, wie moderne experimentelle Techniken selbst in Prozessen, die wir bereits zu verstehen glaubten, neue Details offenbaren.