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The Reason for Beam Cooling: Some of the that Cooling Allows

Eagle Ridge, Galena, Il. USA - 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 – Hofstadter (USA) 1901 – Wilhelm Conrad R¨ontgen (Deutschland) 1902 – Hendrik Antoon Lorentz (Niederlande) und Rudolf M¨ossbauer (Deutschland) Pieter (Niederlande) 1962 – (UdSSR) 1903 – Antoine Henri (Frankreich) 1963 – (USA) und Marie (Frankreich) (Frankreich) Maria Goeppert-Mayer (USA) und J. Hans D. Jensen (Deutschland) 1904 – John William Strutt (Großbritannien und Nordirland) 1964 – Charles H. Townes (USA) , 1905 – (Deutschland) Nikolai Gennadijewitsch Bassow (UdSSR) und 1906 – Joseph John Thomson (Großbritannien-und-Nordirland) Alexander Michailowitsch Prochorow (UdSSR) und 1907 – Albert Abraham Michelson (USA) 1965 – (USA), (USA) Shinichiro Tomonaga () 1908 – (Frankreich) 1966 – (Frankreich) 1909 – Ferdinand Braun (Deutschland) und (Italien) 1967 – (USA) 1910 – Johannes Diderik der Waals (Niederlande) 1968 – Luis W. Alvarez (USA) 1969 – Murray Gell-Mann (USA) 1970 – Hannes AlfvAn¨ (Schweden)

• 1911 – 1920 Louis N¨oel (Frankreich)

1911 – (Deutschland) 1912 – Gustaf Dal¨an (Schweden) • 1971 – 1980 1913 – (Niederlande) 1914 – (Deutschland) 1971 – (Großbritannien-und-Nordirland) 1915 – William Bragg (Großbritannien-und-Nordirland und 1972 – (USA), Leon Neil Cooper (USA) und William (Großbritannien-und-Nordirland) Robert Schrieffer (USA) 1916 nicht verliehen 1973 – (USA) und (USA) 1917 – (Großbritannien-und-Nordirland) (verliehen 1918) Brian Davon Josephson (Großbritannien-und-Nordirland) 1918 – Max (Deutschland)(verliehen 1919) 1974 – (Großbritannien-und-Nordirland) und 1919 – (Deutschland) (Großbritannien-und-Nordirland) 1920 – Charles Edouard Guillaume (Schweiz) 1975 – Aage N. Bohr (D¨anemark), Ben R. Mottelson (D¨anemark) und (USA) 1976 – (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 – (Deutschland) (verliehen 1922) 1978 – Pjotr Kapiza (UdSSR) 1922 – (D¨anemark) 1923 – (USA) Arno Penzias (USA) und Robert (USA) 1924 – Karl (Schweden) (verliehen 1925) 1979 – Sheldon Glashow (USA), (Pakistan) und (USA) 1925 – (Deutschland) und Gustav (Deutschland)(verliehen 1926) 1980 – (USA) und Val Fitch (USA) 1926 – (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 – (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 – (Italien) und (Niederlande) 1932 – (Deutschland) (verliehen 1933) 1985 – (Deutschland) 1933 – Erwin Schr¨odinger (Osterreich)¨ und 1986 – (Deutschland) Paul A. M. Dirac (Großbritannien-und-Nordirland) 98 Æ 22 (Deutschland) und (Schweiz) 1934 nicht verliehen 1987 – Johannes (Deutschland) und Karl Alex M¨uller (Schweiz) 1935 – (Großbritannien-und-Nordirland) 1988 – Leon Max Lederman (USA), (USA) und 1936 – Victor F. Hess (Osterreich)¨ (USA) 1989 – (Deutschland) (USA) 1937 – (USA) und (USA) (Großbritannien-und-Nordirland) 1938 – (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 – (Frankreich) 1943 – (USA) (verliehen 1944) 1993 – Russell A. Hulse (USA) und Joseph Hooton Taylor Jr. (USA) 1944 – (USA) 1994 – Bertram N. Brockhouse (Kanada) und Clifford Glenwood Shull (USA) 1945 – (Osterreich)¨ 1995 – Martin L. Perl (USA) 1946 – Percy W. Bridgman (USA) (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 – (Japan) 1997 – (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 – (Großbritannien-und-Nordirland) und 2000 – Schores Alfjorow (Russland) und (Deutschland) Ernest Thomas Sinton Walton (Republik-Irland) 1952 – (USA) und (USA) Jack S. Kilby (USA) 1953 – (Niederlande) 1954 – (Deutschland)

Walther Bothe (Deutschland) • 2001 – 2004 1955 – Willis Eugene Lamb (USA) 2001 – Eric A. Cornell (USA), (Deutschland) und (USA) Carl E. Wieman (USA) 1956 – William B. Shockley (USA), John Bardeen (USA) und 2002 – Raymond Davis Jr. (USA) und (Japan) Walter H. Brattain (USA) (USA) 1957 – Chen Ning (Volksrepublik-China) und und Tsung-Dao Lee (Volksrepublik-China) 2003 – Alexei Abrikossow (Russland), Witali Ginsburg (Russland) (Großbritannien-und-Nordirland) 1958 – Pawel Tscherenkow (UdSSR), Ilja Frank (UdSSR) und und (UdSSR) 2004 – (USA), David Politzer (USA) (USA) 1959 – Emilio Segre’ (USA) und (USA) 1960 – Donald A. Glaser (USA) Dipole Breathing oscillations of a one-dimensional Bose-Einstein condensate

Bose-Einstein condensate: distribution of ultracold bosonic

D.M. Harber et al, Phys. Rev. A to be published

generate chamber for 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 pads + scintillator silicon pads + scintillator

target beam

~1m hexagonal drift chamber

drift chambers K+ p p scintillator S1 no cooling 200

100 spilltime 60 min. eventrate /s eventrate

0 30 60 90 120 [minutes] 2 10 total

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 [ GeV/c2 ] missing mass [ GeV/c2 ] (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 --> 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 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 SEXTUPOLE

R.F. CAVITY RESONANCE CAVITY see talk by HORIZONTAL & VERTICAL S.S. 2 SCRAPERS S.S. 4

BUMPER 1 Pavel Belochitskii P.U.

FAST KICKER ELECTRIC SEPTUM

MAGNETIC SEPTUM

BUMPER 2

B 1 B 4

S.S. 1 Motivation to make and study

CPT invariance • CPT invariance fundamental feature of local relativistic high precision theories

• gravitation gravitational - 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

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 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 – 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 -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 with ~ 1.9 * 10 5 e + @ - 15 40 20 no 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 ! • H0 !

ATRAP-II • trap neutral H0 !!! • !!! • 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 (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 / 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