Monitoring antiproton numbers with a CMOS detector in a dense-track environment

In het hart van het CERN-laboratorium in Zwitserland werken wetenschappers aan het begrijpen van de vraag waarom het universum überhaupt uit materie bestaat. In de momenten vlak na de oerknal hadden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden moeten worden gecreëerd, om elkaar vervolgens onmiddellijk te vernietigen. Toch zijn wij hier, omringd door materie. Om dit mysterie op te lossen, bestuderen onderzoekers antimaterie met extreme precisie, op zoek naar zelfs het kleinste verschil in hoe het zich gedraagt vergeleken met gewone materie. Een dergelijk experiment, genaamd GBAR, heeft als doel om antihydrogeenatomen te creëren — spiegelbeelden van gewoon waterstof — en deze te laten vallen om te zien hoe de zwaartekracht op hen inwerkt. Hiervoor moet het team eerst een specifiek aantal antiprotonen verzamelen, de negatief geladen bouwstenen van antimaterie, en deze vertragen tot een rustige kruip. De uitdaging is dat deze deeltjes onzichtbaar zijn en verdwijnen op het moment dat ze gewone materie raken, wat het ongelooflijk moeilijk maakt om precies te weten hoeveel er op elk gegeven moment aanwezig zijn. Zonder een nauwkeurige telling worden de delicate metingen die nodig zijn om de natuurwetten te testen, onmogelijk.

Om dit telprobleem op te lossen, heeft het GBAR-team een slimme methode ontwikkeld waarbij een aangepaste digitale camera wordt gebruikt om de nasleep van deeltjesbotsingen te observeren. In hun vacuümkamer richten ze een bundel antiprotonen op een gespecialiseerd detectieoppervlak gemaakt van minuscule glazen buisjes. Wanneer een antiproton dit oppervlak raakt, annihileert het, verdwijnt het en laat het een energiepuls vrij die een wolk van nieuwe, snel bewegende deeltjes verspreidt. Het team realiseerde zich dat als ze de deeltjes van deze spray konden tellen, ze terug konden rekenen om te bepalen hoeveel antiprotonen er precies waren gearriveerd. Ze monteerden een commerciële digitale camera, waarvan de lens was verwijderd en die in lichtdicht folie was gewikkeld, buiten de vacuümkamer. Deze camera is uitgerust met een zeer gevoelige sensor gemaakt van miljoenen microscopische pixels, vergelijkbaar met die in smartphones maar veel nauwkeuriger. Terwijl de spray van deeltjes uit de annihilatie de sensor raakt, laat het kleine sporen van elektrische lading achter, die de camera registreert als duidelijke clusters van licht.

De onderzoekers stuitten op een aanzienlijke hindernis: de omgeving is overvol met deeltjes en het oppervlak waar de antiprotonen op botsen is complex en ongelijkmatig. Ze moesten ervoor zorgen dat de camera het onderscheid kon maken tussen een enkelvoudige antiproton-gebeurtenis en achtergrondruis, en dat het miljoenen gebeurtenissen kon verwerken zonder in de war te raken. Door zorgvuldige tests ontdekten ze dat de sensor van de camera bijna perfect is voor deze taak. De sensor is zo gevoelig dat hij bijna elk deeltje detecteert dat er doorheen gaat, maar blijft blind voor de achtergrondstraling die andere detectoren meestal in verwarring brengt. Door de grootte en vorm van de lichtclusters op de sensor te analyseren, kon het team bepalen onder welke hoek de deeltjes arriveerden en zelfs de dikte van de actieve laag van de sensor schatten. Ze ontdekten dat voor elke antiproton die het doelwit raakte, een voorspelbaar aantal nieuwe geladen deeltjes ontstond, wat een betrouwbaar signaal creëerde dat de camera met hoge precisie kon tellen.

Om deze tellingen om te zetten in een exact aantal antiprotonen, moest het team rekening houden met de geometrie van hun opstelling en het gedrag van de deeltjes terwijl ze van het doelwit naar de camera reisden. Ze gebruikten krachtige computersimulaties om te modelleren hoe de deeltjes door het vacuüm bewogen en interactie hadden met de omliggende apparatuur. Deze simulaties hielpen hen te begrijpen dat het aantal deeltjes dat de camera bereikt afhankelijk is van de afstand tot het doelwit en de specifieke materialen waar de deeltjes doorheen gaan. Door de tellingen van de camera op twee verschillende locaties te vergelijken — één dicht bij de bron van de bundel en één verder stroomafwaarts — konden ze hun systeem kalibreren. Ze ontdekten dat de ratio van de gedetecteerde deeltjes op de twee plaatsen overeenkwam met hun computermodellen, wat bevestigde dat hun methode deugde. Dit stelde hen in staat om een eenvoudige formule te maken: door de clusters op de camera te tellen en de afstand en het gemiddelde aantal deeltjes dat per antiproton wordt geproduceerd te kennen, konden ze het totale aantal antiprotonen berekenen.

Het resultaat is een nieuwe manier om antimaterie te meten die zowel robuust als nauwkeurig is. Het team heeft aangetoond dat hun methode miljoenen antiproton-annihilaties kan reconstrueren met een totale foutmarge van ongeveer tien procent. Dit niveau van precisie wordt bereikt omdat de camera de deeltjes direct telt, waardoor veel van de onzekerheden die andere meettechnieken teisteren, worden omzeild. De aanpak minimaliseert fouten veroorza door het complexe oppervlak van het doelwit of het variërende aantal deeltjes dat in elke botsing wordt geproduceerd, aangezien deze factoren wegvallen wanneer het systeem wordt gekalibreerd tegen een bekende bundelintensiteit. Het succes van deze techniek betekent dat het GBAR-experiment nu met groot vertrouwen zijn antiprotonenvoorraad kan monitoren, wat ervoor zorgt dat de daaropvolgende stappen van het creëren en bestuderen van antihydrogeen gebaseerd zijn op een solide fundament. Het is een stille maar essentiële overwinning, waarbij een chaotische spray van subatomaal puin wordt omgezet in een duidelijk, telbaar signaal dat wetenschappers een stap dichter bij het begrijpen van de fundamentele aard van ons universum brengt.