GdL Fisica Fondamentale Saverio Pascazio (gruppo IV) Giovanni Carugno (gruppo II) Tommaso Calarco Gemma Testera (gruppo III)

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1 GdL Fisica Fondamentale Saverio Pascazio (gruppo IV) Giovanni Carugno (gruppo II) Tommaso Calarco Gemma Testera (gruppo III)

2 6 Marzo: riunione a Roma https://www.dropbox.com/home/INFN What Next https://www.dropbox.com/home/INFN Incontro con gruppi anche non tradizionalmente INFN (BEC Trento, INRIM, …) Teorici+sperimentali Test relativita’ generale: Lens Thirring effect, Lunar Ranging Fisica con atomi ultrafreddi: interferometri atomici di grande precisione per misure di onde gravitazionali, gravitational red shift, G Atomi ultrafreddi e BEC (Trento) : ultracold atomic gases and quantum mechanics Fondamenti e estensioni quantum mechanics: collapse model, attivita’ teorica e sperimentale (gruppo C. Curcenau) Effetto Casimir statico e dinamico Quantum simulation and quantum information (es simulazione teorie di gauge su reticolo con atomi freddi in reticoli ottici) Quantum communication nello spazio Assioni con metodi ottici Dipendenza dal tempo di tau di decadimenti radioattivi Antimateria a bassa energia ……………………….

3 Anti-idrogeno al CERN Antiproton Decelerator (AD): Unico macchina al mondo che fornisce antiprotoni con bassa energia 5 MeV Permette cattura in volo in trappola elettromagnetica Dedicata a fisica con antiprotoni a bassa energia e anti-idrogeno Dal 1999-2004: ATHENA (INFN, concluso), ATRAP, ASACUSA Formazione anti-idrogeno tramite ricombinazione e+ pbar in trappole elettromagnetiche 2002: Athena Collaboration Adesso: ALPHA, ATRAP, ASACUSA(INFN), AEgIS (INFN), BASE, GBAR (dal 2017) Anti-idrogeno in trappola magnetica ( ALPHA, ATRAP) Fascio di anti-idrogeno (AEgIS, ASACUSA) Formazione di Hbar + (GBAR) In costruzione: ELENA: post deceleratore per AD fascio a 100 KeV: numero di antiprotoni disponibili per formazione anti-idrogeno X 100 ELENA beam: 2017 IL CERN SOSTIENE QUESTO PROGRAMMA SCIENTIFICO Minima energia anti-idrogeno attualmente prodotto: alcuni Kelvin Scopo di AEgIS fase 1 : 100 mK Scopo di AEgIS fase 2: 1-10  k Scopo di ASACUSA : decine K Fisica con atomi di anti-idrogeno freddi M. Amoretti et al. (ATHENA Collaboration) Nature 419, 456 (2002). N. Kuroda et al., Nature Communications 5, 3089 (2014) La fisica dell’antidrogeno freddo e’ giovane

4 FISICA con atomi di anti-idrogeno freddo al CERN Motivazioni 1) Spettroscopia con alta precisione, verifica CPT (Livelli 1S-2S, struttura iperfine dello stato fondamentale) Fisica con atomi di anti-idrogeno freddi CPT tests: sensibilita’ assoluta[GeV] CPT tests: sensibilita’ relativa http://people.carleton.edu/~jtasson/ http://www.physics.indiana.edu/~kostelec/ http://physics2.nmu.edu/~nrussell/ Standard Model extension (SME): teoria efficace con parametri che descrivono violazioni della invarianza di Lorentz e di CPT a,b hanno dimensioni di energia M. Amoretti et al. (ATHENA Collaboration) Nature 419, 456 (2002).

5 WEP e misura frequenzeFrequenza ciclotrone protoni Antiprotoni nello stesso campo magnetico B G. Gabrielse et al PRL 82 (3198) (1999) a seconda del tipo di ipotesi sul coupling anomalo gravita’-antimateria R. J. Hughes et al., PRL 66,7 (1991) SN1987A Differenza tempo arrivo neutrini e antineutrini S. Pakvasa et al., Phys. Rev. D 39 176 (1989) G.T. Gillies Class. Quantum Grav. 29 (2012) 232001 “Sensitivity to any violation is suppressed by relativistic factors” Ma: quanti neutrini (non antineutrini) sono stati rivelati? Argomento di Schiff S.I. Schiff PRL 1 254 (1958) Coppi e+,e- virtuali in ogni atomo Se esiste violazione WEP per e+ allora con dipendenza da Z M. Nieto et al Phys. Rep. 205 (5) 221 (1991) M. Charlton et al Phys. Rep 241 65 (1994) R. Hughes Hyp. Int.76 3 (1996) Procedura di rinormalizzazione non corretta, accoppiamento tra gravita’ e particelle virtuali non chiaro?? K 0 CPLEAR Coll. Phys. Lett. B 452(1999) 425 Non per barioni WEP verificato con altissima precisione per materia Assenza di misure dirette per antimateria Validita’ per antimateria e’ ipotesi; quantum gravity??? Limiti indiretti (controversi, model dependent): Motivazioni 2) Verifica validita’ principio di equivalenza (WEP) per antimateria Fisica con atomi di anti-idrogeno freddi  =0 in assenza di violazioni WEP

6 AEgIS : misura di accelerazione terrestre g su fascio anti-idrogeno freddo Cattura e raffreddamento antiprotoni in trapp. elettromagnetiche: da 10 KeV a 10  eV (100 mK cioe’ 50m/s) Raffreddamento antiprotoni fino a 100 mK (radiative cooling, adiabatic-evaporative cooling, resistive RF cooling ) Accumulazione di positroni da sorgente 22 Na in trappole Formazione di Positronio in un bersaglio di silicio con nanocanali Eccitazione Positronio in stati di Rydberg (Ps*) ( 1->3 3->n) Formazione di Hbar in stati di Rydberg via scambio carica Accelerazione orizzontale (beam) con gradienti di campi elettrici (Stark acceleration) (300-600 m/s) Produzione impulsata: T start e’ noto Volo tra due grate: no interferometro, (Moire’ deflectometer): distrib. posizioni periodica, sfasam. dipendente da g Misura posizione annichilazione con 1-2 micron ( Si + emulsion) e tempo annichilazione (T stop ) T flight : tempo di volo tra le due grate a: passo della grata: 40  m Sensibilita’: fase 1: 100 mK: deflettometro classico fase 2 (se R&D avra’ successo): cooling antiprotoni con collisioni con ioni negativi laser cooled fino a 1-10  K aumento numero antiprotoni (ELENA) upgrading produzione Positronio Ly  laser (impulsato) interferometro atomico

7 AEgIS fase 2 : cooling antiprotoni con collisioni con ioni negativi laser cooled: Temperatura finale:  K produzione impulsata con scambio carica g con interferometro atomico 1S-2S con fascio ultrafreddo e+ Ps Ps laser excitation T= 1  k Interferometro Atomico laser pulses 2 livelli T flight =100 ms (1m @10m/s) Pulsed Lyman  laser: 121 nm k eff =10 8 m -1 Repetition rate : tens ms con 100 anti-atomi rivelati. Competitivo con limiti indiretti! N.B.:Stanford interferometer, (Kasevich group) 10m  g/g = 10  PRL 2030001 (2011) Idrogeno: f 1S-2S = 2466061413187035(10) Hz  f/f=4.2 10 -15 Lavoro di anni del gruppo di T. Haensch Linewidth: 2KHz rms (circa) Supponiamo di sostituire antiH con H La velocita’ degli atomi e’ il fattore dominante la linewidth (2 photons, 1order Doppler free) Velocita’ atomi che contribuiscono alla misura in PRL 2030001 (2011) Statistics: 10 4 atomi rivelati 20 Hz!!!! Hyperfine Splitting: goal of AEgIS fase 1 and also of ASACUSA pbar

8 ASACUSA : misura di GSHF su fascio anti-idrogeno Cusp trap: Formazione di anti-idrogeno tramite ricombinazione e+,pbar Anti-idrogeno parzialmente polarizzato emerge in avanti (fascio) Cavita’ MW per indurre spin flip con frequenza HF Sestupolo magnetico per selezionare lo stato rivelatore Fascio con distribuzione Maxwell con V mean poche centinaia m/s: con 2000 atomi (fascio di ASACUSA) Migliorabile di un fattore 10 con due cavita’ Con il fascio di AEgIS a 100 mK :