Fisica atomica

Fisica Atomica

La Ricerca nel settore della Fisica delle Particelle Elementari é stata il tema centrale della Collaborazione PS201, OBELIX. Per poter utilizzare bersagli di idrogeno a densità sino ad un millesimo di quella normale, ove far avvenire le annichilazioni a riposo in idrogeno sopratutto in onda P, si é dovuta studiare la perdita di energia degli antiprotoni in tale mezzo da alcuni MeV di energia cinetica iniziale sino alla cattura ad alcuni eV, cioè su 6 ordini di grandezza.
Il gruppo di Brescia, utilizzando la ricostruzione spazio-temporale delle annichilazioni degli antiprotoni con la risoluzione dell’apparato OBELIX, ha introdotto così una metodologia nuova per la valutazione dello stopping-power (perdita di energia per frenamento) che ha permesso di fornire le uniche misure esistenti per le due strutture più semplici: la molecola di idrogeno (H2) e l’atomo più semplice di elio (He) nell’intero range di energia. I risultati più importanti sono stati oggetto di due pubblicazioni su Physical Review Letter nel 1995 e nel 2002 mentre l’intera trattazione é raccolta in una decina di articoli, di cui riportiamo quelli conclusivi:

  • A. Bianconi et al., Antiproton slowing down, capture, and decay in low-pressure helium gas Phys. Rev. A 70, 032501 (2004)
  • E. Lodi Rizzini et al., Antiproton spopping power in He in the energy range 1-900 KeV and the Barkas effect Phys. Lett. B 599, 190 (2004)
  • E. Lodi Rizzini et al. Barkas effect for antiproton stopping in H2 Pys. Rev. Lett. 89, 18 (2002)

Nella figura é riportato con tratto continuo lo Stopping Power dell’antiprotone in idrogeno per confronto con quello del protone punteggiato. stopping power

In questo settore il Gruppo di Brescia ha altresì fornito rilevanti e talora uniche informazioni sulla durata temporale della “cascata” che porta l’antiprotone dai numeri quantici (n,l) della cattura a quelli cui segue l’annichilazione sul nucleo, protone (p)o la particella alfa (α) rispettivamente nel caso dell’idrogeno o dell’elio. Anche questo settore é stato illustrato con una decina di articoli sulle più importanti riviste. Queste attività di Fisica Atomica sono state alla base della scelta di attivare la ricerca per la produzione degli antiatomi di idrogeno H.

La relativa collaborazione internazionale si forma a partire dal 1995 e si dà il nome ATHENA, mentre verrà individuata con la sigla (AD1) dal CERN. Le prese dati si sono avute negli anni 2002, 2003, 2004.
La chiara indicazione sulla produzione di antiidrogeno é emersa nell’agosto del 2002 ed é stata comunicata alla comunità scientifica mondiale il 18 settembre dello stesso anno dalla rivista Nature, che aveva accettato l’articolo inviato il 28 agosto. In successivi articoli pubblicati sia in Physical Review Letter che altre prestigiose riviste internazionali stanno trovando posto le analisi che caratterizzano il processo di formazione dell’antiatomo di idrogeno (pe+) a partire dalla sovrapposizione in apposita “trappola” di nuvole di positroni (e+) ed antiprotoni (p).

Nella riproduzione la caratteristica segnatura che testimonia la avvenuta produzione di antiatomi di idrogeno (“Nature”, settembre 2002). Si osserva il caratteristico “picco” distribuzione dell'angolo sotteso da due elementi del rivelatore di raggi gamma colpiti contemporaneamente al rivelatore di particelle carichedi eventi di annichilazione di antiprotoni, nuclei negativi dell’antiatomo di idrogeno, contestuali all’annichilazione del loro positrone su un elettrone del materiale che costituisce la parete della “cella”. In questa cella vengono sovrapposti antiprotoni e positroni affinchè si leghino a formare l’antiidrogeno. L’annichilazione e+ e- si caratterizza per un angolo pari a 180°, tra i due fotoni da 511 KeV emessi, angolo il cui coseno é pari a -1.

  • L. V. Jørgensen et al., New Source of Dense, Cryogenic Positron Plasmas editore Phys. Rev. Lett. 95, 025002 (2005)
  • N. Madsen et al., Spatial Distribution of Cold Antihydrogen Formation Phys. Rev. Lett. 94, 033403 (2005)
  • M. Amoretti et al., Dynamics of Antiproton Cooling in a Positron Plasma During Antihydrogen Formation Phys. Lett. B 590, 133-142 (2004)
  • M. C. Fujiwara et al., Three-Dimensional Annihilation Imaging of Trapped Antiprotons Phys. Rev. Lett. 92, 065005 (2004)
  • M. Amoretti et al., Antihydrogen production temperature dependence Phys. Lett. B 583, 59-67 (2004)
  • M. Amorettiet al., High rate production of antihydrogen Phys. Lett. B 578, 23-32 (2004)
  • M. Amoretti et al., The ATHENA antihydrogen apparatus Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A 518, 679-711 (2004)
  • M. Amoretti et al., Positron Plasma Diagnostic and Temperature Control for Antihydrogen Production Phys. Rev. Lett. 91, 055001 (2003)
  • M. Amoretti et al., Complete Nondestructive Diagnostic of Nonneutral Plasmas Based on the Detection of Electrostatic Modes Phys. Plasma 10, 3056 (2003)
  • M. Amoretti et al., Production and detection of cold antihydrogen atoms Nature 419, 456 (2002)

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