The study of positronium production and antimatter interactions in membranes

All materie har en mindre kjent tvilling, nemlig antimaterie. Vi har visst at antimaterie eksisterer siden 1932, og har vært i stand til å produsere og kontrollere det letteste antiatomet - antihydrogen - siden 2011. Men å studere antimaterie er svært vanskelig: det øyeblikket materie og antimaterie møtes, forsvinner de og blir omgjort til ren energi. Hvordan antimaterie reagerer på gravitasjon har aldri blitt målt direkte, men dette er essensielt for å undersøke Einsteins Generelle Relativitetsteori, for å forsøke forstå naturen på dens fundamentale plan. Dette prosjektet foregikk ved AEgIS - the Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy - ved CERN. Formålet til AEgIS er å direkte måle gravitasjonskraften på antimaterie presist for første gang. Gravitasjonskraften er mye svakere enn den elektriske kraften. Derfor kan vi bare klare å måle gravitasjon på materie uten elektrisk ladning, som atomer. AEgIS skal benytte seg av antihydrogen, som er et antiproton omgitt av et antielektron (et positron). I AEgIS vil antihydrogen bli laget ved å eksponere antiprotoner for positronium; en bundet tilstand av elektroner og positroner. Dette prosjektet var fokusert på produksjon av positronium, og siktet på å utvikle alternative produksjonsmålskiver. Den alternative geometrien disse målskivene tilbyr er meget lovende for fremtiden, både for å produsere mer antihydrogen og kanskje gjøre gravitasjonsmålingene mer presise. Som del av dette prosjektet ble karakterisering av positroniumproduksjon utført og laser-eksitasjon av positronium til det tredje energinivået demonstrert for første gang. Dette ble rapportert i den vitenskapelige journalen Physical Review A. Videre, takket være dette prosjektet, ble transmisjonmålskiver for positroniumproduksjon gjort tilgjengelige for eksperimentet for første gang: en spesiallaget transmisjonsmålskive av flere lag ble tenkt ut og produsert. Målingene på denne målskiven ble rapportert i den vitenskapelige journalen Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Kontakt med industri ble opprettet for å utvikle en metode for å introdusere en slik skjør transmisjonsmålskive inn i det utfordrende oppsettet til hovedeksperimentet. Etter dette lanserte selskapet et nytt produkt: en vakuum-og-kryokompatibel lineær piezoaktuator med stort utslag. Gitt at transmisjonsmålskiver er nytt i AEgIS, er ikke testkammeret designet for målinger på slike positroniumkilder. Et redesign av det eksperimentelle oppsettet er dermed satt i gang for å gjøre det mulig å utføre en komplett karakterisering av transmisjonsmålskiver. Dette prosjektet har dermed gitt AEgIS-eksperimentet et betydelig dytt inn i fremtiden. En helt annen målsetning i prosjektet var å studere interaksjoner av antimaterie med tynne membraner - grunnforskning som ikke var planlagt ved AEgIS. En ekstra installasjon i den eksperimentelle sonen sørger for at en stråle antiprotoner med lav energi er tilgjengelig; dette er unikt i verden. Som del av dette prosjektet ble prøver med grafén installert i dette oppsettet: følgelig ble grafén for første gang eksponert for antiprotoner med lav energi. Resultatet etter eksponeringen ble avbildet med et scanning electron microscope i nanolaboratoriet ved Universitetet i Bergen, hvor noen uventete observasjoner ble gjort. For fremtiden ville det være interessant å optimere det eksperimentelle oppsettet å avbilde eksponerte grafénprøver med et nøytralt-helium-mikroskop, som er non-destruktivt og spesielt overflatefølsomt. Av dette kan vi lære om interaksjon av antimaterie og annihilasjonsprodukter i tynne membraner. Avhengig av vekselvirkningen mellom antiprotoner med så tynne materialer - som aldri har blitt undersøkt - er det kanskje mulig i fremtiden å lage verdens minste sil, av ett atomlags tykkelse med skreddersydde nano-hull, som kan ha mange bruksområder og positive ringvirkninger. Prosjektet var altså svært multidisiplinært, og berørte partikkelfysikk, atomfysikk, materialteknologi og instrumentering.

Gravitational forces on antimatter has never been measured. This is of utmost importance to probe General Relativity, not making any distinction between matter and antimatter. The AEgIS experiment at CERN aims at measuring for the very first time the gravitational constant of anti-Hydrogen, with an expected resolution of 1 %. The formation of positronium is crucial for the production of anti-Hydrogen. This project proposes to improve the production of positronium, via changes in the experimental setup and production material. Introducing a PET scanner to the experimental setup would improve the characterization of the positronium formation. If the positronium production can be altered to take place on-axis, the transverse movement of the anti-Hydrogen, a main challenge for its downstream study, could be drastically reduced. An improvement here would be ground-breaking in providing a well-behaved beam, improving the gravitational measurement. As a second aspect of the project, we propose to perform fundamental science not currently part of the AEgIS physics programme: the study of antimatter interactions with thin membranes. The scattering of low-energy antiprotons could also be characterized using the PET scanner. A second step is studying masked membranes in the AEgIS environment. The mask could predesign the size and number of holes on a thin membrane, such as graphene. If successful, this could be used as a molecular sieve, which would have grand positive implications. This project is highly cross-disciplinary, by capitalizing on expertise in particle physics, atomic physics, material science and instrumentation. The groups at the University of Oslo has extensive experience with the development and deployment of Positron Emission Tomography scanners. The lithography laboratory at the University of Bergen has the infrastructure and expertise to both produce nanostructured masks and study the membrane surface after exposure to antimatter.