Anti-Hydrogène

Objectif:

 L’une des questions fondamentales de la physique actuelle concerne l’action de la gravité sur l’antimatière. D’un point de vue expérimental, aucune mesure directe n’a été réalisée sur des particules d’antimatière. Le CERN a donc lancé un programme auprès du Décélérateur d’Antiprotons (AD) qui permet d’envisager enfin une mesure de la gravité sur des atomes d’antihydrogène.L'objectif premier de cette expérience est de déterminer comment l'antimatière réagit par rapport à la gravitation. Cette expérience cherche à vérifier le signe de la gravité pour l’anti-matière, une théorie lui laissant la possibilité d’être négative ce qui se traduirait par une élévation et non une chute d’un atome d’anti-matière soumis à la seule force de la gravité terrestre. D’autres théories prédisant des déviations moins spectaculaires par rapport à la gravitation standard pourraient aussi être testées.

 Le programme de R&D de l'IRFU consiste a démontrer la faisabilité de la production d'ions H+ en utilisant une cible d'atomes de positronium (état lié électron-positon). Cette cible, soumise au bombardement d'antiprotons, devrait permettre de combiner ses positons aux antiprotons incidents.

Pour cela plusieurs défis sont à relever, dont les suivants qui font l'objet de l'activité a l'IRFU:
-créer des atomes de positronium en densité suffisante (1012 cm-2)
-les exploiter en un temps extrêmement court (142 ns) dans le but de former une cible aux antiprotons

Il sera ensuite possible de créer de l'anti-hydrogène neutre H et sous forme d'ions positifs H+. Noter que si on utilise des protons incidents au lieu des antiprotons, on obtient de l'hydrogene et des ions H-

Expériences Concurrentes


ALPHA        (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus)
ATRAP        (Antihydrogen Trap Collaboration)
ASACUSA    (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons)
AEGIS        (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy)
 

 Localisation

-L'appareillage permettant le test des performances du convertisseur de positons en positronium est situé au CERN 

-Les projets SOPHI et SELMA sont situés sur le centre CEA de Saclay (ancien Hall Saturne)

-Les tests de confinement et d'extraction des positons stockés se font a RIKEN (Wako, Japon)

 

Contribution de l'IRFU

L'IRFU (anciennement DAPNIA) a initié ce projet.

Il étudie et réalise un faisceau de positons intense.

Il étudie la conversion des positons en positronium en collaboration avec l'IRAMIS/LSI qui a une expertise dans l’utilisation des positons pour la mesure des défauts ponctuels dans les matériaux. Cette recherche se fait avec un groupe de ETH Zurich au CERN.

  Ampleur du projet

Anti-Hydrogène est un des premiers projets ANR du département: cette expérience est financée par l'IRFU, l'ANR et le département de l'Essonne.  Ce projet à taille humaine permet une vue d'ensemble du fonctionnement d'une expérience. L'enjeu, ambitieux et complexe, est fondamental pour la physique, car la découverte de l'anti-gravité conduirait à reconsidérer les modèles classiques au niveau le plus fondamental.

Participants

-CEA/IRFU
-CEA/IRAMIS
-ETH Zurich
-RIKEN

Contacts:

 

Patrice PEREZ
Jean-Michel REY
Yves SACQUIN
Pascal DEBU

 

 

maj : 25-05-2010 (784)

Production intellectuelle

Publications

  1. Measurement of the ortho-positronium confinement energy in mesoporous thin films 
    P. Crivelli et al., Phys. Rev. A 81 , 052703 (2010).

  2. Positronium Cooling in Porous Silica Measured via Doppler Spectroscopy 
    D. B.. Cassidy et al., Phys. Rev. A 81, 012715 (2010).

  3. A mini linac based positron source
    P. Pérez et al., Phys. Status Solidi C 6, 2462 (2009).

  4. Mesoporous silica films with varying porous volume fraction: Direct correlation between ortho-positronium annihilation decay and escape yield into vacuum 
    L. Liszkay et al., Appl. Phys. Lett. 95, 124103 (2009).

  5. Ortho-positronium reemission yield and energy in surfactant-templated mesoporous silica films 
    L. Liszkay et al., Materials Science Forum 607, 30-33 (2009).

  6. Positronium reemission yield from mesostructured silica films 
    L. Liszkay et al., Appl. Phys. Lett. 92, 063114 (2008).

  7. A Scheme To Produce The Antihydrogen Ion Hbar+ For Gravity Measurements 
    P. Pérez et al., AIP Conf. Proc. 1037, Okinawa (Japan), 2008, ed. Y. Kanai and  Y. Yamazaki, p35-42.

  8. A Scheme to Produce a Dense Positronium Plasma for an Antihydrogen Experiment 
    P. Pérez et al., Appl. Surf. Sci. 255, 33-34 (2008).

  9. Orthopositronium annihilation and emission in mesostructured thin silica and silicalite-1 films 
    L. Liszkay et al., Appl. Surf. Sci. 255, 187-190 (2008).

  10. Letter of Intent to the CERN-SPSC
    P. Pérez et al., CERN-SPSC-2007-038 (2007).

  11. A New Path Towards Gravity Experiments with Antihydrogen 
    P. Pérez and A. Rosowsky, AIP Conf. Proc. 793, Wako (Japan), 14-16 March 2005, ed. Y. Yamazaki, M. Wada, p165-168.

  12. Intense Source of Slow Positrons 
    P. Pérez and A. Rosowsky, AIP Conf. Proc. 793, Wako (Japan), 14-16 March 2005, ed. Y. Yamazaki, M. Wada, p 347-350.

  13. A new path toward gravity experiments with antihydrogen 
    P. Pérez and A. Rosowsky, Nucl. Instr. Meth. A 545, 20-30 (2005).

  14. Intense source of slow positrons 
    P. Pérez and A. Rosowsky, Nucl. Instr. Meth. A 532, 523-532 (2004).

Brevets

Concept de source de positons
Brevet français: N° 2 852 480 délivré le 15.04.2005 par l'INPI.
United States Patent 6,818,902, Pérez et al. November 16, 2004.

 

 

 

 

maj : 26-05-2010 (2333)

Moyens expérimentaux

Schéma général de principe.

Schéma général de l'expérience

Pour atteindre le but final de l'expérience, il faut combiner plusieurs éléments faisant appel chacun à des disciplines différentes de la physique expérimentale. La production des positons en nombre suffisant se fera au moyen d'un accélérateur d'électrons (voir projets SELMA et SOPHI). Le stockage des positons produits sera effectué à l'aide d'un piège de Penning-Malmberg du type développé par C. Surko à San Diego ou bien par A. Mohri à RIKEN. Ils seront ensuite extraits de ce piège et déversés sur un matériau convertisseur de positons en positronium en quelques dizaines de ns. Les antiprotons provenant de l'AD du CERN sont stockés dans un piège tel que celui developpé par la collaboration ASACUSA et extraits sous forme d'un faisceau de quelques KeV traversant le nuage dense de positronium. Les ions ainsi formés sont transportés jusqu'à un piège atomique contenant une faible densité d'ions Be+ qui les ralentissent jusqu'à des vitesses de l'ordre de 1 m/s. Les ions H+ sont neutralisés en éjectant le positon excédentaire à l'aide d'un photo-détachement à deux photons de facon à ne pas donner d'impulsion selon la verticale durant ce processus. Les atomes neutres tombent sur un scintillateur ou ils s'annihilent en produisant une énergie largement suffisante pour donner le temps d'arrivée t2 sur ce scintillateur. La distance dx entre le faisceau laser et le temps de déclenchement t1 du rayon laser étant connus, la valeur de l'accélération de la pesanteur g sur ces atomes d'antihydrogène est donnée par la fameuse formule dx = 1/2 g (t2-t1)2

 

Schéma de principe de la production des ions d'antihydrogène.

Moyens d'investigation

On peut estimer que le meilleur piège à antiprotons développé dans la collaboration ASACUSA pourra confiner environ 107 particules et les éjecter à une énergie de quelques KeV sous forme d'un faisceau de 1 mm de diamètre en quelques dizaines de nanosecondes. Il faudra alors présenter à ces antiprotons une cible dense de positronium  (environ 1012 cm-2). En traversant cette cible, les atomes d'antihydrogène et les ions H+ sont formés. On peut estimer que 1 à 10 ions sont formés par pulse de 107 antiprotons. Environ 1000 atomes neutres sont aussi formés à l'état fondamental.

Pour former la cible de positronium on déverse environ 1010 positons sur un matériau convertisseur en un temps de quelques dizaines de nanosecondes pour tenir compte du temps de déversement des antiprotons ainsi que du temps de vie du positronium de 142 ns (état triplet). L'extraction rapide a été vérifiée avec le piège du laboratoire RIKEN.

 

Plan du faisceau de positons lents de ETH Zurich au CERN.

Convertisseurs e+ Ps

Des matériaux susceptibles de convertir des positons en positronium avec la plus haute efficacité ainsi qu'une vitesse la plus faible possible sont préparés à Nancy, Mulhouse, l'Ecole Polytechnique ou bien à Saclay sont vérifiés dans un premier temps au CERI (Orléans) ou l'on mesure le taux de production de l'ortho-positronium (oPs), l'état triplet à durée de vie longue (142 ns). Ensuite, ces matériaux sont placés dans le faisceau de positons lents de ETH Zurich au CERN. Une mesure par temps de vol a été ajoutée afin de déterminer la vitesse des atomes de positronium émis. Un porte échantillon couplé à un cryocooler et une résistance chauffante permet d'étudier les performances de ces matériaux en fonction de la température (10-600K). Un système de mesure de temps de vie complète cet ensemble afin de préciser la fraction de oPs produit.

 

Schéma du détecteur de temps de vol.

Mesure du temps de vol du oPs

Cinq compteurs au BGO entourent un cylindre de plomb dans lequel une fente a été pratiquée. Le plomb est placé autour du tube à vide du faisceau. Les positons lents (1-5 KeV) sont implantés dans l'échantillon à étudier. Le oPs émis dans le vide vole jusqu'à ce qu'il se désintègre en émettant 3 photons dont la somme des énergies est de 1 MeV. Lorsqu'un de ces photons passe dans la fente pour atteindre un des compeurs, son énergie ainsi que son temps d'arrivée sont enregistrés. La distance entre la fente et l'échantillon est connue. Le temps d'arrivée sur l'échantillon est donné par les électrons secondaires émis lors de l'interaction entre le positon incident et l'échantillon. Ces électrons sont détectés par une MCP (Multi Channel Plate) dédiée. L'ensemble du plomb et des compteurs peut etre déplacé par rapport à l'échantillon selon l'axe du faisceau.

 

 

Spécificités

 

Les expériences installées auprès de l’AD du CERN utilisent la recombinaison à 3 corps : 

 

 

Notre spécificité consiste en l’utilisation de l’ion H+créé dans la suite de réactions:

Le positronium peut aussi être excite au niveau n=3 de façon a augmenter la section efficace de production de H+.

 

En cours de réalisation:

-Le Linac SELMA (accélérateur d'électrons d'une énergie de 6 MeV et d'une intensité de 0.2 mA)
-Une cible de tungstène (convertisseur d'électrons en positons)
-Un séparateur d'électrons-positons (SOPHI)
-Un détecteur de positons sur faisceau.
-Expérience de sélection et mesure des performances de matériaux convertisseurs e+ → Ps
-Stockage de positons dans le piège de Penning MRT de RIKEN.

 

 

maj : 25-05-2010 (1922)

Principe de l'expérience

Principe de l'expérience


Une méthode de production d’atomes d’anti-hydrogène permettant de mesurer leur chute dans le champ de gravité terrestre a été étudiée au DAPNIA/SPP [1] . La voie proposée permet de produire des ions d'antihydrogène positif (H+), beaucoup plus faciles à manipuler que les atomes neutres (H). Ceci permet de les ralentir suffisamment pour effectuer la mesure gravitationnelle.

 

 

 Cette voie consiste en la chaîne de réactions ci-contre. Les antiprotons (p) interagissent avec du positronium (Ps) afin de produire des atomes d'antihydrogene dans leur état fondamental. Puis les atomes neutres ainsi formés interagissent de nouveau pour produire l'ion positif. La cible des antiprotons est donc un gaz dense d’atomes de positronium, au lieu du nuage de positons utilisé normalement dans les expériences actuelles sur l’antihydrogène au CERN. Les atomes d’antihydrogène neutre produits dans la première réaction, et à un taux mille fois supérieur, peuvent aussi servir à d’autres expériences.

Noter que le positronium peut être excité à l'aide d'un laser pour contrôler la distribution des niveaux d'excitation n. Des atomes d'antihydrogène excité sont alors produits avec une section efficace beaucoup plus importante, proportionelle à n4.

 

 

Dans un exemple d’expérience envisageable, ces ions H+ peuvent êtres ralentis jusqu'à une vitesse de l’ordre de 1 m/s [*]. Ils sont ensuite débarrassés de leur positon excédentaire par une excitation laser produisant l'énergie nécessaire pour les éjecter. Leur faible vitesse permet de mesurer l’accélération de la pesanteur sur ces atomes d’antimatière sur une distance de quelques centimètres compatible avec un appareillage de taille raisonnable.

* J.Walz & T. Hänsch, General Relativity and Gravitation, 36 (2004) 561.

 

 

maj : 18-09-2007 (2069)

Collaborations

Collaboration internationale:

Plusieurs collaborations couvrent ce projet:

- Laboratoire de Physique Atomique de RIKEN au Japon pour le savoir faire du piège à positons.
- Sigmaphi (Vannes) pour le développement du système magnétique de capture de positons. 
- Linac Technologies (Orsay) pour l’adaptation d’un linac commercial.
 
- IRAMIS/LSI  pour l’expertise dans l'utilisation des positons en physique des matériaux.
- AIST a Tsukuba (Japon) pour leur expertise et appareillage permettant d'etudier le positronium créé dans les matériaux.
- L’équipe de ETH Zurich d’André Rubbia au CERN pour la recherche du meilleur substrat de SiO2 poreux.
- CEMHTI a Orléans pour les  tests de substrats en SiO2 avec leur faisceau de positons lents.
- LPCME a Nancy et LMPC a Mulhouse pour leur fabrication de substrats nanoporeux en SiO2.
 

Si la méthode de production d'antihydrogene est validée, une expérience sera proposée au CERN où se trouve la seule source d'antiprotons lents au monde.

 Détail des collaborations françaises:

  • CEA/DSM/IRAMIS/LSI
  • CEA/DSM/IRAMIS/SCM
  • CERI, CNRS (Orléans)
  • LCPME, UMR-7564, CNRS (Nancy)
  • LMPC, UMR-7016, CNRS (Mulhouse)

 Détail des collaborations étrangères:

  • ETH Zurich
  • RIKEN (Wako, Japon)
  • AIST (Tsukuba, Japon)
 

maj : 25-05-2010 (1923)

Vie de l'expérience

 Historique et principaux jalons

 

9/12/2004: Le conseil scientifique du DAPNIA/SPP approuve un programme de R&D sur les méthodes menant à la production d’anti-hydrogène en utilisant du positronium.

15/04/2005:   Dapnia (Irfu) Brevet Français N° 2 852 480

03/2008: SOPHI  arrive au labo.

07/2008: SELMA arrive au labo.

12/2008: premiers runs à basse intensité.

06/2009: runs à 0.14 mA.

12/2009: premières observations d'un signal de positons rapides (MeV). 

 

Etat du projet

Un matériau nanoporeux en SiO2 qui convertit les positons en positronium a été fabriqué et  mesuré au CERN, a Orléans (CEMHTI), a Tsukuba (AIST), et a UC Riverside (USA). Il convertit 35% des e+ incidents de 2 keV en o-Ps ejecté dans le vide avec une énergie cinétique de 45 meV.


Des tests sont en cours pour accumuler des positons dans le piège de Penning MRT de RIKEN. Le faisceau de e+ est produit a partir d'une source radioactive au  22Na, et modéré avec du Néon solide. On devrait accumuler 106 e+ en quelques secondes. Ce piège sera transporté a Saclay en fin 2010 pour etre adapté au faisceau pulsé du linac, avec le but de stocker 1010 e+ dans un premier temps, puis 1011 e+


 

Thèses

Les thèses proposées portent sur:

-le développement d'un nouveau type de piège de Penning.

 

Stages

-Simulation d'un modérateur à positons

 

 Perspectives

Installation de la ligne de positons lents  (Octobre 2010)

Installation du piege MRT de RIKEN (Decembre 2010)

Connection de la MRT au linac et accumulation (2011)


 

Contacts:

 

Patrice PEREZ

Yves SACQUIN

Jean-Michel REY

Pascal DEBU

 

 

 

 

 

maj : 26-05-2010 (1924)

Liens

Liens

ALPHA        (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus)
ATRAP        (Antihydrogen Trap Collaboration)
ASACUSA    (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons)
AEGIS        (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy)
 

maj : 25-05-2010 (1928)

SOPHI
(Source de Positons de Haute Intensité) logo_tutelle 

La collecte des positons créés dans la cible de tungstene est obtenue a l'aide de bobines produisant un champ d'environ 0,2 T. Le tri entre e- et e+ se fait à l'aide de bobines disposées sous la forme d'un dipole magnétique.


Le projet de mesure de l'accélération de la pesanteur pour des atomes d'antihydrogene nécessite de produire une cible dense de positronium, état lié e+e- dont la durée de vie de l’état triplet est de 142 ns. Pour cela il faut disposer d’une grande quantité de positons « lents » (gamme d’énergie allant de l’eV à quelques dizaines de keV). Les sources radioactives à base de Na22 ne sont pas assez intenses. De plus, il faut tenir compte de l’efficacité du processus de modération qui permet de ralentir les positons. Celle-ci varie de 10-5 à 10-2 selon le type de modérateur utilisable dans l’environnement expérimental. La possibilité de produire des positons de basse énergie à partir d’un accélérateur a donc été étudiée [2]. Le processus utilisé est la création de paires à partir d’un faisceau d’électrons heurtant une cible de Z élevé. Pour une telle expérience, il faut un faisceau dédié. Le prix des accélérateurs a conduit à étudier les performances d’un accélérateur de très basse énergie (< 10 MeV) en compensant la faible section efficace par l’augmentation du courant d’électrons, celui-ci étant limité par la tenue de la cible à l’échauffement pour une intensité de l’ordre du mA. Cette étude a fait l’objet d’un brevet [3].

Nous avons présenté une candidature de projet « blanc » à l’ANR en juin 2005. Cette candidature a été retenue sous le nom de SOPHI et consiste à réaliser un tri entre les électrons du faisceau primaire et les positons émis par une cible de tungstène à faible angle d’incidence
[2]. Ce tri ouvre la voie à l’utilisation d’un modérateur au Néon solide pour ralentir efficacement les positons du MeV à l’eV, plutôt qu’un modérateur en tungstène environ 100 fois moins efficace. En effet, la température du Néon solide de 7K ne permet pas de placer ce type de modérateur dans l’environnement direct du faisceau d’électrons d’une puissance de l’ordre de quelques kW.

L'ensemble comprenant la cible, l'enceinte a vide, les bobines, ainsi que le détecteur de positons, est en cours de réalisation a l'IRFU et chez l'entreprise SigmaPhi. La livraison a été faite durant le printemps 2008.

 

 

maj : 16-03-2009 (2056)

SELMA
(Source d'Electrons pour les Matériaux et l'Antimatière)

Schéma de l'ensemble SELMA-SOPHI entouré d'un blindage de béton. SELMA correspond au LINAC.



En Novembre 2006, la candidature ASTRE déposée au Conseil Général de l’Essonne est retenue sous le nom SELMA. Cela permet de financer l’achat d’un petit linac commercialisé par la société Linac Technologies, située à l’entrée du domaine de l’université d’Orsay. Cette société propose dans son catalogue un petit linac à électrons basé sur un magnétron comme source RF plutôt que le classique klystron. Le prix le rend plus abordable que les linacs à klystron ou le Rhodotron, commercialisé par IBA.

L’énergie peut être portée à 6 MeV avec une intensité de l’ordre de 0,1-0,2 mA. Le taux de positons produits avec une telle machine est environ 50 fois plus faible qu’avec une machine de 10 MeV / 2 mA correspondant aux études préliminaires. Cependant, cela correspond à 100 fois le débit des plus grosses sources au Na22. 

Une source de positons basée sur le principe d'un petit accélérateur de faible énergie a l'avantage de ne pas être classée comme installation nucléaire de base (INB). Il existe en effet de tels systèmes basés sur des centrales nucléaires produisant des positons, comme à Garching (Allemagne) sur le réacteur de recherche FRMII (NEPOMUC) ou bien auprès du réacteur de recherche de TU Delft (Pays-Bas) .Plus compacte que ces systèmes, elle pourrait produire un taux de positons lents compétitif suivant l'intensité d'électrons.


 

maj : 14-09-2007 (2057)

 

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