New experiment to gain unparalleled insight into antimatter
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At last week’s Research Board meeting, the Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) was approved for installation at CERN. The experiment will be diving into the search for matter-antimatter asymmetry, as it aims to take ultra-high precision measurements of the antiproton magnetic moment.
The BASE collaboration will be setting up shop in the AD Hall this September with its first CERN-based experimental set-up. Using the novel double-Penning trap set-up developed at the University of Mainz, GSI Darmstadt and the Max Plank Institute for Nuclear Physics (Germany), the BASE team will be able to measure the antiproton magnetic moment with hitherto unreachable part-per-billion precision.
“We constructed the first double-Penning trap at our companion facility in Germany, and made the first ever direct observations of single spin flips of a single proton,” explains Stefan Ulmer from RIKEN, Japan, the spokesperson of the BASE collaboration. “We also recently demonstrated the first application of the double Penning trap technique with a single proton. This success means we are now ready to use the technique to measure the proton magnetic moment with ultra-high precision and to apply the technique to the antiproton.”
But how does this new trap work? First, let’s look at how the antiproton magnetic moment is derived. A direct measurement of the moment requires two different parameters: the Larmor frequency, which characterises the precession of the spin of a particle, and the cyclotron frequency, which describes a charged particle's behaviour under a magnetic field.
A strong, homogenous magnet is therefore central to any Penning trap. “Spin flips are observed by coupling the magnetic moment of the particle to the measurable axial frequency, using a magnetic inhomogeneity,” explains Stefan. “As the magnetic moment of the antiproton is so small, a field inhomogeneity of some 300,000 T/m2 is required. However, the intense magnetic field reduces the precision of any frequency measurements.”
The solution? Divide and conquer. BASE’s double Penning trap separates the measurements of the Larmor and the cyclotron frequency from the spin state analysis. Two traps are used for the measurements: the analysis trap, which will check the spin of the particle, and the precision trap, which will flip the spin of the particle while measuring the cyclotron frequency. In the precision trap, the magnetic field is about 100,000 times more homogeneous than in the analysis one. Thus, this separation dramatically improves the accuracy of the frequency measurements and increases the precision of the magnetic moment.
In addition to these two traps, the experimental set-up will have two further traps. The monitor trap will check for any variance in the magnetic field caused by external sources, allowing the BASE team to make instant adjustments to the core traps while measurements are under way.
The final trap, the reservoir trap, does exactly what it says on the tin. This trap will store antiprotons for months on end, allowing the BASE collaboration to continue operating even without beam. “As BASE is such a sensitive experiment, it may be affected by magnetic field fluctuations from the AD,” says Stefan. “If that is the case, the reservoir trap will allow us to work when the accelerator is offline.”
This September, the BASE team will begin installing its experiment in the AD Hall. By November, the team plans to be taking new measurements of the proton magnetic moment using an offline source. “It’s an exciting time not only for our collaboration, but also for antimatter physics,” concludes Stefan. “As our measurements of antimatter properties grow ever more precise, so too does our understanding of the nature of all matter.”
Layout of the new BASE collaboration set-up to be installed in the AD Hall.
Other (French)
Lors de sa réunion, la semaine dernière, la Commission de la recherche a approuvé l’installation au CERN de l’expérience BASE (expérience de symétrie baryon-antibaryon). Cette expérience explorera l'asymétrie matière-antimatière, son but étant de réaliser des mesures haute précision du moment magnétique de l'antiproton.
La collaboration BASE établira ses quartiers dans le hall AD en septembre prochain, avec son premier dispositif expérimental basé au CERN. Utilisant un dispositif innovant constitué d’un double piège de Penning, développé à l’Université de Mayence, à GSI Darmstadt et à l’Institut Max Plank de physique nucléaire, en Allemagne, l'équipe BASE procédera à des mesures du moment magnétique de l'antiproton avec une précision inégalée de l'ordre du milliardième.
« Nous avons construit le premier piège de Penning double sur le site de BASE en Allemagne, et avons réalisé les premières observations directes du renversement de spin d'un seul proton, explique Stefan Ulmer, de RIKEN (Japon), porte-parole de la collaboration BASE. Nous avons aussi récemment fait la démonstration de la première application de la technique du double piège de Penning sur un seul proton. Comme cela a réussi, nous sommes maintenant prêts à utiliser cette technique pour mesurer le moment magnétique du proton avec une extrême précision et à appliquer cette technique à l'antiproton. »
Comment fonctionne donc ce nouveau piège ? Tout d’abord, regardons comment on peut connaître le moment magnétique de l’antiproton. Pour réaliser une mesure directe du moment, on fait appel à deux paramètres différents : la fréquence Larmor, qui caractérise la précession du spin d’une particule, et la fréquence cyclotron, qui décrit le comportement d’une particule chargée soumise à un champ magnétique.
Pour faire fonctionner un piège de Penning, on doit donc disposer d'un aimant produisant un champ magnétique intense et homogène. « On observe les renversements de spin en mettant en relation le moment magnétique de la particule avec la fréquence axiale mesurable, grâce à une inhomogénéité magnétique, explique Stefan. Comme le moment magnétique de l’antiproton est très petit, on a besoin d’une inhomogénéité de l'ordre de 300 000 T/m2. Toutefois, l’intensité du champ réduit la précision des mesures de fréquence. »
La solution ? Sérier les problèmes. Le double piège de Penning de BASE sépare les mesures de fréquence Larmor et de fréquence cyclotron de l’analyse de l’état du spin. Pour faire les mesures, on utilise deux pièges : le piège d’analyse, qui permet de déterminer le spin de la particule, et le piège de précision, qui provoque un renversement du spin de la particule tout en mesurant la fréquence cyclotron. Comparé au piège d’analyse, le piège de précision a un champ magnétique extrêmement homogène (100 000 fois plus homogène en fait). La séparation améliore énormément la précision des mesures de fréquence et accroît ainsi la précision avec laquelle on connaît le moment magnétique.
Outre ces deux pièges, le dispositif expérimental aura en fait deux pièges supplémentaires. Le piège de contrôle traquera d’éventuelles variations dans le champ magnétique causées par des sources extérieures, ce qui permettra à l’équipe BASE de réaliser des ajustements en temps réels des pièges principaux pendant la réalisation des mesures.
Le dernier piège est le piège réservoir. Comme son nom l’indique, il permet de stocker des antiprotons pendant des mois, ce qui permettra à la collaboration BASE de continuer ses travaux même sans faisceau. « Comme BASE est une expérience extrêmement sensible, elle pourrait être affectée par des fluctuations de champ magnétique provenant de l’AD, explique Stefan. Dans ce cas, le piège réservoir nous permettra de travailler alors que l’accélérateur ne fonctionne pas. »
En septembre, l’équipe BASE commencera à installer l'expérience dans le hall AD. En novembre, l’équipe prévoit de réaliser de nouvelles mesures du moment magnétique du proton en utilisant une source déconnectée. « C’est une perspective formidable, non seulement pour notre collaboration, mais aussi pour la physique de l’antimatière, conclut Stefan. Plus nos mesures des propriétés de l'antimatière seront précises, mieux nous pourrons comprendre la matière en général. »
Schéma du nouveau dispositif expérimental de la collaboration BASE,
qui sera installé dans le hall AD en septembre.
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Identifiers
- CDS
- 1554298
- CDS Report Number
- BUL-NA-2013-124
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