The Reason for Beam Cooling: Some of the Physics that Cooling Allows
Eagle Ridge, Galena, Il. USA September 18 - 23, 2005
Walter Oelert IKP – Forschungszentrum Jülich Ruhr – Universität Bochum CERN
obvious: cooling and control of cooling is the essential reason for our existence,
gives us the opportunity to do and talk about
physics that cooling allows • 1961 – 1970 • 1901 – 1910 1961 – Robert Hofstadter (USA) 1901 – Wilhelm Conrad R¨ontgen (Deutschland) 1902 – Hendrik Antoon Lorentz (Niederlande) und Rudolf M¨ossbauer (Deutschland) Pieter (Niederlande) 1962 – Lev Landau (UdSSR) 1903 – Antoine Henri Becquerel (Frankreich) 1963 – Eugene Wigner (USA) und Marie Curie (Frankreich) Pierre Curie (Frankreich) Maria Goeppert-Mayer (USA) und J. Hans D. Jensen (Deutschland) 1904 – John William Strutt (Großbritannien und Nordirland) 1964 – Charles H. Townes (USA) , 1905 – Philipp Lenard (Deutschland) Nikolai Gennadijewitsch Bassow (UdSSR) und 1906 – Joseph John Thomson (Großbritannien-und-Nordirland) Alexander Michailowitsch Prochorow (UdSSR) und 1907 – Albert Abraham Michelson (USA) 1965 – Richard Feynman (USA), Julian Schwinger (USA) Shinichiro Tomonaga (Japan) 1908 – Gabriel Lippmann (Frankreich) 1966 – Alfred Kastler (Frankreich) 1909 – Ferdinand Braun (Deutschland) und Guglielmo Marconi (Italien) 1967 – Hans Bethe (USA) 1910 – Johannes Diderik van der Waals (Niederlande) 1968 – Luis W. Alvarez (USA) 1969 – Murray Gell-Mann (USA) 1970 – Hannes AlfvAn¨ (Schweden)
• 1911 – 1920 Louis N¨oel (Frankreich)
1911 – Wilhelm Wien (Deutschland) 1912 – Gustaf Dal¨an (Schweden) • 1971 – 1980 1913 – Heike Kamerlingh Onnes (Niederlande) 1914 – Max von Laue (Deutschland) 1971 – Dennis Gabor (Großbritannien-und-Nordirland) 1915 – William Henry Bragg (Großbritannien-und-Nordirland und 1972 – John Bardeen (USA), Leon Neil Cooper (USA) und William Lawrence Bragg (Großbritannien-und-Nordirland) Robert Schrieffer (USA) 1916 nicht verliehen 1973 – Leo Esaki (USA) und Ivar Giaever (USA) 1917 – Charles Glover Barkla (Großbritannien-und-Nordirland) (verliehen 1918) Brian Davon Josephson (Großbritannien-und-Nordirland) 1918 – Max Planck (Deutschland)(verliehen 1919) 1974 – Martin Ryle (Großbritannien-und-Nordirland) und 1919 – Johannes Stark (Deutschland) Antony Hewish (Großbritannien-und-Nordirland) 1920 – Charles Edouard Guillaume (Schweiz) 1975 – Aage N. Bohr (D¨anemark), Ben R. Mottelson (D¨anemark) und James Rainwater (USA) 1976 – Burton Richter (USA) und Samuel C. C. Ting (USA) 1977 – Philip W. Anderson (USA) , • 1921 – 1930 Nevill F. Mott (Großbritannien-und-Nordirland) und John H. van Vleck (USA) 1921 – Albert Einstein (Deutschland) (verliehen 1922) 1978 – Pjotr Kapiza (UdSSR) 1922 – Niels Bohr (D¨anemark) 1923 – Robert Andrews Millikan (USA) Arno Penzias (USA) und Robert Woodrow Wilson (USA) 1924 – Karl Manne Siegbahn (Schweden) (verliehen 1925) 1979 – Sheldon Glashow (USA), Abdus Salam (Pakistan) und Steven Weinberg (USA) 1925 – James Franck (Deutschland) und Gustav Hertz (Deutschland)(verliehen 1926) 1980 – James Cronin (USA) und Val Fitch (USA) 1926 – Jean Baptiste Perrin (Frankreich) 1927 – Arthur Holly Compton (USA) und Charles Thomson Rees Wilson (Großbritannien-und-Nordirland) • 1981 – 1990 1928 – Owen Willans Richardson (Großbritannien-und-Nordirland) (verl. 1929) 1929 – Prince Louis Victor de Broglie (Frankreich) 1981 – Nicolaas Bloembergen (USA) und Arthur L. Schawlow (USA) 1930 – Chandrasekhara Venkata Raman (Indien) Kai Manne Siegbahn (Schweden) 1982 – Kenneth G. Wilson (USA) 1983 – Subrahmanyan Chandrasekhar (USA) • 1931 – 1940 William A. Fowler (USA) 1931 nicht verliehen 1984 – Carlo Rubbia (Italien) und Simon van der Meer (Niederlande) 1932 – Werner Heisenberg (Deutschland) (verliehen 1933) 1985 – Klaus von Klitzing (Deutschland) 1933 – Erwin Schr¨odinger (Osterreich)¨ und 1986 – Ernst Ruska (Deutschland) Paul A. M. Dirac (Großbritannien-und-Nordirland) 98 Æ 22 Gerd Binnig (Deutschland) und Heinrich Rohrer (Schweiz) 1934 nicht verliehen 1987 – Johannes Georg Bednorz (Deutschland) und Karl Alex M¨uller (Schweiz) 1935 – James Chadwick (Großbritannien-und-Nordirland) 1988 – Leon Max Lederman (USA), Melvin Schwartz (USA) und 1936 – Victor F. Hess (Osterreich)¨ Jack Steinberger (USA) 1989 – Wolfgang Paul (Deutschland) Carl David Anderson (USA) 1937 – Clinton Davisson (USA) und Hans Georg Dehmelt (USA) George Paget Thomson (Großbritannien-und-Nordirland) 1938 – Enrico Fermi (Italien) Norman Foster Ramsey (USA) 1939 – Ernest O. Lawrence (USA) 1990 – Jerome I. Friedman (USA), Henry W. Kendall (USA) und 1940 nicht verliehen Richard E. Taylor (Kanada)
• 1941 – 1950 • 1991 – 2000 1941 nicht verliehen 1991 – Pierre-Gilles de Gennes (Frankreich) 1942 nicht verliehen 1992 – Georges Charpak (Frankreich) 1943 – Otto Stern (USA) (verliehen 1944) 1993 – Russell A. Hulse (USA) und Joseph Hooton Taylor Jr. (USA) 1944 – Isidor Isaac Rabi (USA) 1994 – Bertram N. Brockhouse (Kanada) und Clifford Glenwood Shull (USA) 1945 – Wolfgang Pauli (Osterreich)¨ 1995 – Martin L. Perl (USA) 1946 – Percy W. Bridgman (USA) Frederick Reines (USA) 1947 – Edward Victor Appleton (Großbritannien-und-Nordirland) 1996 – David M. Lee (USA), Douglas D. Osheroff (USA) und 1948 – Patrick Maynard Stuart Blackett (Großbritannien-und-Nordirland) Robert C. Richardson (USA) 1949 – Hideki Yukawa (Japan) 1997 – Steven Chu (USA), Claude Cohen-Tannoudji (Frankreich) und 1950 – Cecil Powell (Großbritannien-und-Nordirland) William D. Phillips (USA) 1998 – Robert B. Laughlin (USA), Horst Ludwig St¨ormer (Deutschland) und Daniel Chee Tsui (USA) • 1951 – 1960 1999 – Gerardus t’ Hooft (Niederlande) und Martinus J.G. Veltman (Niederlande) 1951 – John Cockcroft (Großbritannien-und-Nordirland) und 2000 – Schores Alfjorow (Russland) und Herbert Kroemer (Deutschland) Ernest Thomas Sinton Walton (Republik-Irland) 1952 – Felix Bloch (USA) und Edward Mills Purcell (USA) Jack S. Kilby (USA) 1953 – Frits Zernike (Niederlande) 1954 – Max Born (Deutschland)
Walther Bothe (Deutschland) • 2001 – 2004 1955 – Willis Eugene Lamb (USA) 2001 – Eric A. Cornell (USA), Wolfgang Ketterle (Deutschland) und Polykarp Kusch (USA) Carl E. Wieman (USA) 1956 – William B. Shockley (USA), John Bardeen (USA) und 2002 – Raymond Davis Jr. (USA) und Masatoshi Koshiba (Japan) Walter H. Brattain (USA) Riccardo Giacconi (USA) 1957 – Chen Ning (Volksrepublik-China) und und Tsung-Dao Lee (Volksrepublik-China) 2003 – Alexei Abrikossow (Russland), Witali Ginsburg (Russland) Anthony James Leggett (Großbritannien-und-Nordirland) 1958 – Pawel Tscherenkow (UdSSR), Ilja Frank (UdSSR) und und Igor Tamm (UdSSR) 2004 – David Gross (USA), David Politzer (USA) Frank Wilczek (USA) 1959 – Emilio Segre’ (USA) und Owen Chamberlain (USA) 1960 – Donald A. Glaser (USA) Dipole Breathing oscillations of a one-dimensional Bose-Einstein condensate
Bose-Einstein condensate: momentum distribution of ultracold bosonic atoms
D.M. Harber et al, Phys. Rev. A to be published
generate laser light Vacuum chamber for atom cooling, surrounded by trapping and optical elements manipulation and magnetic coils P(o) Æ x, x`, y, y` Æ ε
target neutral particle scintillator S1 detector COSY dipole ~1m
scintillator S3
K+ Cerenkov drift chambers counter p
- K pp ® ppK+K- dipole silicon pads + scintillator silicon pads + scintillator
target beam
~1m hexagonal drift chamber
drift chambers K+ p p scintillator S1 no cooling stochastic cooling 200
100 spilltime 60 min. eventrate /s eventrate
0 30 60 90 120 [minutes] 2 10 total cross section
10 IUCF elastic
[mb] + d π first: σ 1
50
0 pp pp π -1 40 10 b) µ 30 2 ( -2 pp η
η 10 tot / 20 σ + -3 pK Λ 10 10 pp η ´
0 -4 + 0 0.2 0.410 0.6 pK Σ η (= pπ ,max /m π c)
-5 10 + - ppK K
-6 COSY 10
-7 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 P [GeV/c] beam 250 300 p p → p p X 2 2 250 200
200 150
150 100
100 events / 0.5 MeV/c events / 0.5 MeV/c 50 50
0 0 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 missing mass [ GeV/c2 ] missing mass [ GeV/c2 ] phase space (arb. norm.)
+ pp FSI
+ ph FSI aph = +0.7fm + i 0.4fm 4 10 rph = -1.5fm - i 0.24fm (A.M.Green, S.Wycech, PR C55 (1997) R2167)
3 10
pp → ppη [nb] σ 2 10
10
pp → ppη′
2 11010 Q[MeV] 40
30 p p Λ Λ
20 1.771 GeV/c
10
0
6 p p Λ Σ 0 + c c 4 1000 14 MeV b/sr] 25 MeV µ 39 MeV [ 1.771 GeV/c 73 MeV p p Λ Λ Ω 2 ] 92 MeV /d σ 2
118 MeV d 141 MeV 170 MeV 0 100 196 MeV b / (GeV/c) µ 1 p p Σ + Σ+ /dt’ [ σ
d 1.922 GeV/c 10 0,5 cos θ cm > -.8
0 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -1 -0,50 0,5 1 t’ [(Gev/c) 2] cos θ [CM] Λ
12
10 p+p Λ+Λ
8 b]
µ 6 [ σ
4
2 1000
0 01234567 Excess energy [MeV] pp ΛΛ 100
10 pp Σ + Σ+ b σ [µ ] 1 0 pp ΛΣ + cc pp Σ - Σ-
0.1
0.01 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Momentum [GeV/c] S = 0 S = 1 S =
0 Σ Λ Λ
pp pp Excess energy [MeV] 0 50 100 150 200 1 0
1,5 0,5 Singlet Fraction Singlet -0,5 p Λ z
p Excess energy [MeV] energy Excess Λ p * θ θ y x Λ * θ x
2
t’ [(GeV/c) ] y
z Polarisation Λ p Kent D. Paschke CMU
MEX
QG: SF= const. = 0 SF :
p + p Λ Λ
SF = 0
SF = 1 Kent D. Paschke CMU
QG QG
MEX MEX
Dnn ( = 1) Knn ( = 1)
p + p Λ Λ p + p Λ Λ
MEX --> tensor interaction --> spin flip --> Dnn and Knn negativ QG --> minor tensor interaction --> smaller and positive Dnn and Knn p p Λ Λ
θp C
π− π+
P CP
π− π+
Λ Λ
p p direct CP violation test: I(θ ) = I (1 + α P cos θ ) θ α θ y 0 y I( y0) = I (1 + P cos y )
P = P
α + α Α = = 0.006 ± 0.014 A = (α + α) / (α α− − α α) = 0.006 +- 0.014 first H - production and - detection at LEAR99
p
99
"trace" p 23,300
∆E Xe Target Te+
94
normalized deflection [mm] H° e+ e- γγ
19.7 +/- 0.6 11 exit window for time of flight [ns] neutral particles + e p
H. Herr, D. Möhl, A. Winnacker (1982) M omentum p [GeV/c] Basic AD Deceleration Cycle CERN - 3.57 Accelerator - Complex Stochastic cooling 6.6 s. Tune jump Electron cooling pbar injection 2.0 5.5 s. Bunch rotation Rebunching Stochastic cooling Electron cooling Fast Extraction 17.8 s. LHC 11.4 s.
Actual Duration Design Duration 0.3 0.1
12(10) 35(33) 54(52) 71(58) 85(60)time [sec] RF ON: RF h = 6 1 1 3 1 Beam bunched for deceleration (RF ON), debunched for cooling 28/08/00 FP 04/10/02 Rev. .
former AAC complex changed to P(p) = 100 MeV/c AD ( E(p) = 5 MeV )
spill : < 3 . 107 every 90 s spill length ~ 80 ns 2.00 m 1.60 m COOLING LENGTH
B 2 S.S. 3 B 3
DECELERATION P.U.
POSITRON P.U. 0.54 m
BEAM CURRENT TRANSFORMER SEXTUPOLE
R.F. CAVITY RESONANCE CAVITY see talk by HORIZONTAL & VERTICAL S.S. 2 SCRAPERS S.S. 4
BUMPER 1 Pavel Belochitskii POSITRON P.U.
FAST KICKER ELECTRIC SEPTUM
MAGNETIC SEPTUM
BUMPER 2
B 1 B 4
S.S. 1 Motivation to make and study Cold Antihydrogen
CPT invariance • CPT invariance fundamental feature of local relativistic high precision quantum field theories spectroscopy
• gravitation gravitational force matter - antimatter between matter and antimatter is essentially unknown even in the sign Standard-ModellStandard model of physicsder Physik:
G G- – wohl fairly well verstanden understood G - nicht G – experimentally experimentell not known, bestimmt not studied
Apfelapple Anti-Apfel anti-apple Anti-Apfelanti-apple
Erdeearth Anti-Erde anti-earth Erdeearth Hydrogen
p e
mirror - - image
Antihydrogen
p e hydrogen 1s – 2s spectroscopy cold (5-7 K) H atomic beam M. Fischer et al., eprint physics/0311128 two photon excitation velocity measurement → correct 2. order doppler shift laser photon density variation → correct stark shift
2s 2p (τ ~ 0.12 s) (τ ~ 1.4 ns)
243 nm
243 nm
1s Status of CPT invariance in leptonic and hadronic systems
++2 2 + RH∞ []me[]⎛⎞ qe []⎛⎞qp[] 1+ me [] / M [] p = −−⎜⎟⎜⎟ − R∞ []H me[ ][]⎝⎠ qe⎝⎠qp[] 1+ m[]e / M [ p] different CPT tests: CPT test measurement free accuracy accuracy gift
_ -18 -3 15 K0 K0 2 x 10 2 x 10 10
e+ e- 2 x 10-12 2 x 10-9 103
_ p p 9 x 10-11 9 x 10-11 1 particle – antiparticle systems Teilchen Falle (Harvard)
Positionsdetektor Gas-Zelle (He+ x%SF6) Ringelektrode Abbremsfolie (Be)
p
Vakuum < 10 -17 -V -V z
Φ -V 0 Φ z = z² []2d² a) 0
-V b) 0
Wirkungsgrad des Einfanges: - 4 5 x 10 at V = - 4 kV project: make cold particles of opposite charge to interact
potential valley + for + charge _ potential mountain for – charge
impossible to trap positive und negative charge within the same Penning-trap
ATRAP-I e+ e+ trap
rotating
P1
Positron-Part electrode P2 + P3 e trap P4
XET
XCT done bytheHARVARD-Collaborationpartners XR XCB
XEB ball valve BV1 Desing oftheATRAP-Trap
HVBV2
T1 BV3 p trap T2 T3 Antihydrogen -ProductionArea T4 p trap Antiproton-Part H T5 T6 production T7 area T8 EET BGO
ECT ERPCT ECBPR 5 cm PCB RL PEC B1 degrader scintillating B2 (Be) p fibres TBE
DEG
Positron Cooling of Antiprotons with ~ 1.9 * 10 5 e + @ - 15 Volt 40 20 no positrons 0 Cooling time: 35 ms
85 ms
135 ms
535 ms
785 ms
910 ms
960 ms COUNTS
1035 ms e+energy 1035 ms
1535 ms
2035 ms
5035 ms Mean antiproton energy 40 10035 ms 20 30 0 Colling time [s] 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 Voltage [ V] 20
nergy [eV] +
e e energy
the way to high precision H0 spectroscopy
• cold trapped positrons ATRAP-I • cold trapped antiprotons • overlap of p and e+ • combine p and e+ for production of H0 • maximize production rates ! • produce ‘cold‘ H0 ! study trapping mechanisms ! • ground state H0 !
ATRAP-II • trap neutral H0 !!! • laser cooling !!! • 1s-2s spectroscopy !!! • gravitational questions !!! ATRAP-I 110 mCi 22Na source
e+
SC solenoid 5.4 T BGO outer scintillator 2 layer ( 6+12 )
scintillating fibres PPAC (3 layer) 16 fold PM for fibres p PM for BGO Configuration Laser of sc solenoid ATRAP-II scintillating fibres
Penning trap tracking of outer charged scintillator particles γ- detection
Laser access
trapping Ioffe trap of H for H
BGO crystal 50 cm -100 -200 -300 -400 -500 100 0
BV2 01 [cm] 15 10 5 0 BV3 HV 158 V/cm 87 V/cm T1 Potentialmulde
T2 Refernz-
T3
T4
T5
T6
T7
T8
EET
ECT ER ECB
RL
PCT PR PCB PEC
B1
B2
TBE
DEG 20 Das elektrische Feld (E) ionisiert the electric field (E) ionizes Elektronenbahnen im Antiwasserstoffthe antihydrogen - Atom atom 10 000
E = (3.21 x 10 8 V/cm) / n4 1000
95 V/c n = 200
n = ~ 49 100 n = 1
35 V/c p 10
elektrisches Feld (E) [V/cm] 1 electrical field (E) [V/cm] n = 43 n = 55 0.1 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 main quantumHauptquantenzahl number n H production and detection (Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 233401 , 213401) n – state distribution
measured
3450 H from3000 simple 6 normalization well 5 x 10 e+ 2000linearF ~ fit 90 V/cm
1000
0 27 H 25 F ~ 360 V/cm 6 linear fit plus various 5 x 10 e+ field-ionization15 models
5 0
antihydrogen atoms / 250 000 antiprotons antihydrogen atoms / 012 34 5 millions of positrons more deeply bound states
ρ is less than this value in µm 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1000 - 2 N = a F + c - 3 F - 3/2 10 100
- 4 10
10 F - 2 - 5 F - 5/2 10 1 number of antihydrogen atoms / antiproton number of antihydrogen atoms, N number of antihydrogen atoms, 10 100 prestripping field F [V/cm] filled symbols: data from 2003 open symbols: data from 2002 velocity measurement
potential distribution in the trap 0 e+ p p -20 V / Volts analysis ionization -40 well well
-60
-80
-100
-120
-140 z / cm velocity measurement
potential distribution in the trap 0 e+ p p -20 V / Volts analysis ionization -40 well well e+ -60 p H e+ -80
-100
-120
-140 z / cm velocity measurement
potential distribution in the trap 0 e+ p p -20 V / Volts analysis ionization -40 well well
-60
-80 e+ H p -100
-120
-140 z / cm velocity measurement accepted for publication PRL
H are hotter than expected H trapping efficiency < 5 % (4.2 K , ∆B=1T)
∆B ~ 1T magnetic quadrupol trap (Ioffe trap)
f H
a T
+ 572 65 1 + 572 65 1
b T
34500 965 49 + 1 00000
1
e
+ R
275 72 + ) 1 r
34400 E
e
+ 668 56
l 1
c
m i T
+ 68 56 Sm 1 g 90000 34300 43 62
1
1 part
(
Lu
1+ 37 63 1
V
e f
34200 H
y/Hz
d G 1+ 37 63 1
764 47 + 1
b enc T
764 47 + 00 1 754 k 80000
1
qu ) Dy
764 47 + 34 1 re e + l W
F
c + 074 70 i 1
o H
+ 467 54
Sm 1
34000 r
m E
1 part
( + 467 54 1 43 62 700000
1
70000
~ ~ d N
+ 60 38
33900 1 m
b
D Y
/ + 70 1 6 1
m Lu
+ 70 1 6 1
33800 I
y/Hz + 253 22 1
0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30
ts i n .u arb y/ t i ntens I
d
G 60000
563 45 + 1
a T enc W
+ 873 68 1
+ 873 68 1
Dy qu
+ 66 52 1
o H
+ 66 52 1
re n
s
w O F
+ 76 75 1
no
k
m
n T
+ 69 59
u 1
b Y
r P + 69 59 1
+ 59 36 1
40000 50000
f H
a T
+ 672 66 1
Sm + 672 66 1
+ 62 g , m 43 1
Eu
362 43 + 1
e n mass R
+ 75 73 1 b
w T
+ 65 g , m 50 1
no Dy
30000
065 50 +
k 1 t P
+ 078 80 1
s C
r E + 755 27 1
+ 768 57 1
mass
m T
+ 768 57 1
Lu
1+ 47 64 1
20000 f H
1+ 47 64 1
W
74 1 7 1 Litvinov et al.
0000
1 7 4
2 0 8 6 3 5 1 ts i n .u arb y/ t i ntens I