Experimento ATHENA

La trampa de captura ralentizó, atrapó, enfrió y acumuló antiprotones . Para enfriar los antiprotones, la trampa de captura se cargó primero con3 × 10 ⁸ electrones, que se enfriaron mediante radiación sincrotrón en el campo magnético de 3 teslas. Típicamente, el AD entregó^{Se inyectaron} 2 × 10⁷ antiprotones con una energía cinética de 5,3 MeV y una duración de pulso de 200 ns al experimento a intervalos de 100 s. Los antiprotones se ralentizaron en una lámina delgada y se atraparon mediante un campo eléctrico pulsado . Los antiprotones perdieron energía y se equilibraron con los electrones fríos por interacción de Coulomb . Los electrones fueron eyectados antes de mezclar los antiprotones con los positrones. Cada disparo de AD resultó en aproximadamente3 × 10 ³ antiprotones fríos para experimentos de interacción. ^{[ 7 ]}

El acumulador de positrones ralentizó, atrapó y acumuló positrones emitidos por una fuente radiactiva (1.4 × 10 ⁹  Bq ²² Na). La acumulación durante 300 s produce 1.5 × 10 ⁸ positrones, el 50% de los cuales fueron transferidos a la trampa de mezcla, donde se enfriaron mediante radiación sincrotrón. ^{[ 8 ]}

La trampa de mezcla tenía la configuración de potencial axial de una trampa de Penning anidada, lo que permitía que dos plasmas de carga opuesta entraran en contacto. En ATHENA, la nube de positrones esferoidal podía caracterizarse mediante la excitación y detección de oscilaciones axiales del plasma. Las condiciones típicas eran:7 × 10 ⁷ positrones almacenados, un radio de 2 – 2,5  mm, una longitud de 32  mm y una densidad máxima de 2.5 × 10 ⁸  cm ⁻³ . Un detector de aniquilación de antihidrógeno se situó coaxialmente con la región de mezcla, entre el radio exterior de la trampa y el orificio del imán.

El detector se diseñó para proporcionar evidencia inequívoca de la producción de antihidrógeno mediante la detección de las aniquilaciones coincidentes, tanto temporal como espacialmente , del antiprotón y el positrón cuando un átomo neutro de antihidrógeno escapaba de la trampa electromagnética y chocaba contra los electrodos de la trampa. Un antiprotón se aniquila típicamente en unos pocos piones cargados o neutros. Los piones cargados se detectaron mediante dos capas de microtiras de silicio de doble cara y sensibles a la posición. La trayectoria de una partícula cargada que atravesaba ambas capas podía reconstruirse, y dos o más trayectorias que se intersecaban permitían determinar la posición, o vértice, de la aniquilación del antiprotón. La incertidumbre en la determinación del vértice era de aproximadamente 4  mm y está dominada por la curvatura no medida de las trayectorias de los piones cargados en el campo magnético. La ventana de coincidencia temporal era de aproximadamente 5 microsegundos. La cobertura del ángulo sólido de la región de interacción era de aproximadamente el 80 % de 4π. ^{[ 9 ]}

La aniquilación de un positrón con un electrón produce dos o tres fotones . El detector de positrones, compuesto por 16 filas, cada una con 12 cristales centelleantes de yoduro de cesio puro, fue diseñado para detectar eventos de dos fotones, consistentes en dos fotones de 511 keV que siempre se emiten en secuencia. La resolución energética del detector era del 18 % de ancho completo a media altura a 511 keV, y la eficiencia de detección del fotopico para fotones individuales era de aproximadamente el 20 %. La velocidad máxima de lectura de todo el detector era de aproximadamente 40  Hz. Los detectores auxiliares incluían grandes paletas centelleadoras externas al imán y un diodo de silicio delgado y sensible a la posición, a través del cual pasaba el haz de antiprotones incidente antes de entrar en la trampa de captura.

Para producir átomos de antihidrógeno, se llenó un pozo de positrones en la región de mezcla con aproximadamenteSe introdujeron 7 × 10⁷ ^positrones y se dejó enfriar a temperatura ambiente (15 kelvin ). A continuación, se formó una trampa anidada alrededor del pozo de positrones. Posteriormente, se lanzaron aproximadamente 10⁴ antiprotones a la región de mezcla mediante pulsos que alternaban entre diferentes configuraciones potenciales. El tiempo de mezcla fue de 190 s, tras lo cual se eliminaron todas las partículas y se repitió el proceso. Los eventos que activaban el detector de silicio de imagen (golpe en tres lados de la capa exterior) iniciaban la lectura de los módulos de silicio y CsI.

Utilizando este método, ATHENA pudo producir –por primera vez– varios miles de átomos de antihidrógeno frío en 2002. ^{[ 10 ]}