BASE STEP

BASE-STEP: Das offene Penningfallensystem zum Transport von Antiprotonen

Unsere Mission

BASE Transport system — Abb. 1 (Links): Das BASE-STEP-Fallensystem wurde per Kran in das Gebäude der Antimateriefabrik am CERN in Genf, Schweiz, transportiert. (Mitte): Eine mögliche Transportroute für den Antiprotonentransport zwischen CERN und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. (Rechts): BASE-STEP im Betrieb in unserem Präzisionslabor an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Unser Ziel ist es, den Offline-Betrieb von Antiprotonen-Präzisionsmessungen außerhalb der Antimateriefabrik des CERN zu etablieren, um die nächste Generation von Antiprotonen-Präzisionsmessungen ohne durch den Betrieb der Maschinen und Experimente in der Antimateriefabrik verursachten Störungen und Magnetfeldschwankungen zu ermöglichen.

Zu diesem Zweck haben wir das transportable Penningfallensystem BASE-STEP konstruiert, in das Antiprotonen injiziert, damit transportiert, und daraus extrahiert werden können. Der Transport von BASE-STEP erfolgt ohne externe Stromversorgung, in diesem Modus ist die Falle bis zu vier Stunden stabil.

Wie funktioniert es?

BASE STEP with a trap and a person nearby — Abb. 2 Ein Blick ins BASE-STEP-Fallen-System, der das grundlegende zylindrische Penning-Fallen-Design zur Speicherung von Antiprotonen und anderen geladenen Teilchen zeigt. Die Abmessungen der Apparatur sind anhand der Größe eines Antimaterieforschers zu erkennen. Das physikalische Prinzip der Penningfalle, die zur Speicherung von Antiprotonen eingesetzt wird, ist auf der rechten Seite illustriert.

Das BASE-STEP-System ist dafür ausgelegt, Antiprotonen und andere geladene Teilchen zu speichern und über weite Entfernungen zu transportieren. Da Antiprotonen bei Kontakt mit normaler Materie annihilieren, müssen sie in einer Ultrahochvakuum-Umgebung aufbewahrt werden, insbesondere bei Drücken unter 10^-16 mbar. Dieses Vakuum verhindert Annihilationen, die durch Kollisionen mit Restgasmolekülen über Zeiträume von mehreren Monaten verursacht werden könnten. Um dies zu erreichen, werden die Antiprotonen in einer kryogenen Vakuumkammer gespeichert, deren Wände auf der Temperatur von flüssigem Helium (4.2 K) gehalten werden. Bei solch niedrigen Temperaturen gefriert jedes in der Kammer vorhandene Restgas an den kalten Wänden.

Die Antiprotonen werden in einer Penning-Falle gehalten, einer Ionenfallen-Konfiguration, die eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern verwendet, um sie in der Mitte der Kammer zu halten. Ein Magnetfeld, das von einem supraleitenden Elektromagneten erzeugt wird, zwingt die Antiprotonen zu einer Kreisbewegung um die Feldlinien. Ein elektrisches Feld, das durch Spannungen an einem Stapel zylindrischer Elektroden aufrechterhalten wird, zieht die Antiprotonen entlang der Richtung der Magnetfeldlinien zurück in die Mitte der Falle.

Projektverlauf und Ergebnisse

BASE STEP transport system — Abb. 3. (Links): Karte der Transportroute der Protonen. (Rechts): Größenvergleich des Fallensystems, des LKWs, der für den Transport der Protonen durch das CERN verwendet wird, des BASE-STEP-Fallensystems in seinem Frachtbereich und eines Antimaterie-Forschers.

Die Konstruktion und der Bau des BASE-STEP-Fallensystems erfolgten am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (2020–2022), die Inbetriebnahme fand am CERN (2023–2024) statt, und das System wurde mittlerweile am CERN (2024) sowie an der HHU mit Protonen (2024–2025) betrieben.

Die Ergebnisse der Konstruktions- und Inbetriebnahmephase wurden in der Zeitschrift Review of Scientific Instruments veröffentlicht: Lesen Sie hier (Cover der Novemberausgabe 2023, siehe hier).

Im Jahr 2024 haben wir eine Protonenwolke am CERN-Standort Meyrin in das Fallensystem geladen und über mehrere Kilometer auf dem CERN-Campus transportiert, wobei die Antiprotonen-Experimentierzone von BASE-STEP als Start- und Zielort diente. Am CERN wurde die Kampagne entsprechend veröffentlicht (lesen Sie hier), Filmmaterial siehe hier.

Zukünftige Arbeit

Unser nächster Meilenstein ist der Transport von Antiprotonen am CERN-Standort Meyrin in unserem Fallensystem, um die Machbarkeit der Verlagerung von Antiprotonen in andere Labore in der Nähe der Antimateriefabrik zu demonstrieren. Anschließend werden wir den Ferntransport etablieren, indem wir die transportable Falle mit einem Stromgenerator auf dem LKW aufrüsten, um in unser Präzisionsexperiment an der HHU Antiprotonen einzuspeisen.

Transportable Antiprotonenfallen werden eine Schlüsselrolle bei der Etablierung von Offline-Präzisionsmessungen mit Antiprotonen spielen und dazu beitragen, CPT-Invarianztests durch hochpräzise Messungen mit Protonen und Antiprotonen zu verbessern. Die Technologie kann auch auf andere exotische Ionen wie beschleunigererzeugte hochgeladene Ionen oder andere Antimaterie-Ionen angewendet werden, die in Zukunft zugänglich werden könnten. Kandidaten sind beispielsweise das positive Antiwasserstoff-Ion, das Antideuterium-Ion oder das Antiwasserstoff-Molekül-Ion, das in Kollaboration mit der Gruppe um Prof. Schiller an der HHU spektroskopiert werden kann.

Finanzierung

Diese Arbeit wird durch einen ERC Starting Grant (ERC StG 2019, STEP, Grant-Nr. 852818), die Heinrich-Heine-Universität, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, RIKEN, die Max-Planck-Gesellschaft und CERN finanziert und von den anderen Instituten der BASE-Kollaboration unterstützt.