Das ATHENA-Experiment am CERN

ATHENA (AnTiHydrogEN Apparatus) ist eines von drei offiziellen Experimenten am neuen niederenergetischen Antiprotonenbeschleuniger (AD) am CERN. Es handelt sich dabei um eine Kollaboration, an welcher das Physikinstitut der Universität Zürich beteiligt und für den Detektor verantwortlich ist.
Wie die Abbildung 1 illustriert, testet man durch Vergleichen von Energieniveaus zwischen Wasserstoff- und Antiwasserstoffatomen die CPT-Invarianz, deren Verletzung -- würde sie nachgewiesen -- zumindest im Ansatz die beobachtete assymmetrische Materie/Antimaterieverteilung des Universums erklären könnte, was das Standardmodell der Teilchenphysik nicht kann. Die unterschiedliche Beschleunigung von Materie und Antimaterie im Gravitationsfeld könnte mit dem ATHENA-Experiment studiert werden.
Um mit Laserlicht Antiwasserstoffatome anzuregen und mit deren Energieniveaus Spektroskopie zu betreiben, muss ein ausgeklügeltes Detektorsystem, wie es die Abbildung 2 zeigt, Antiwasserstoff überhaupt nachweisen.

  
Abbildung 1: Das prinzipielle Ziel von ATHENA schematisch dargestellt. Vergleich der Ergebnisse von laserspektroskopischen Untersuchungen am Wasserstoff- und Antiwasserstoffatom.

Dazu werden die Endprodukte der Proton-Antiprotonannihilation und der Elektron-Positronannihilation detektiert.
Das ATHENA-Experiment obliegt folgenden Zielen:

• Die Produktion von Antiwasserstoffatomen niedriger Energie.
• Das Speichern dieser Antiwasserstoffatome in einer Magnetfalle.
• Der Vergleich von Energieniveaus zwischen Wasserstoff- und diesen Antiwasserstoffatomen.

  
Abbildung 2: Schematische Darstellung des ATHENA-Apparates.

Es ist für die Physik von fundamentaler Bedeutung, die CPT-Invarianz mit der höchst möglichen Präzision in allen Gebieten zu untersuchen. Die Messung der Energieniveaus vom Antiwasserstoffatom und dessen Gegenstück, dem Wasserstoffatom, ermöglicht, Materie und Antimaterie direkt zu vergleichen. Die Präzision von $10-18$ könnte prinzipiell durch Zweiphotonspektroskopie (1S-2S-Übergang $\Rightarrow 2243$ nm) erreicht werden (Ref. [1]), da die Lebensdauer des metastabilen 2S-Zustandes 122 ms beträgt und sich daraus die natürlichen Breite von $510-16$ ergibt. Zurzeit basiert die Existenz von Antiwasserstoff auf den Resultaten von zwei Experimenten (Ref. [2, 3]), indem ein hochenergetischer Antiprotonenstrahl auf ein Gastarget geschossen wird. Unter einer sehr grossen Anzahl von Kollisionen mit dem Target können einige Ereignisse als $H$ identifiziert werden.
In der Apparatur des ATHENA-Experiments sollte eine wesentlich höhere Rate von Antiwasserstoffatomen mit einer geringen kinetischen Energie () produziert und in einer Magnetfalle gefangen und gespeichert werden. Der Produktionszyklus von $H$ beginnt in zwei getrennten Penning-Fallen, indem von der einen Seite Positronen aus einer $22$Na-Quelle geliefert, und auf der anderen Seite Antiprotonen vom AD (Ref. [4]) mit einer Energie von 100 MeV/c zugeführt werden. Die Positronen werden durch elastische Stösse in einem Gas abgebremst und kühlen sich zudem durch Synchrotronstrahlung (B-Feld 6