Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

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 l’expérience GBAR est de déterminer comment l'antimatière se comporte sous l’effet de la gravitation. L’expérience cherchera d’abord à vérifier le signe de la gravité pour l’antimatière, une théorie lui laissant la possibilité d’être négative ce qui se traduirait par une élévation et non une chute d’un atome d’antimatière soumis à la seule force de la gravité terrestre. D’autres théories prédisant des déviations moins spectaculaires par rapport à la gravitation de la matière pourraient aussi être testées.

L’expérience GBAR initiée par le groupe de l’IRFU a été acceptée au Cern en mai 2012. Elle fait suite au programme de R&D de l'IRFU qui a consisté à démontrer la faisabilité d’un faisceau intense de positons « lents ». Ce faisceau permet la création d’une cible d'atomes de positronium (état lié électron-positon) permettant la production d'ions H⁺ lorsque l’on y fait interagir des antiprotons.

Pour cela plusieurs défis sont à relever, dont les suivants qui font l'objet de l'activité a l'IRFU:

• Créer une source de positons lents de haute intensité (10⁸/s) ; les sources radioactives utilisées pour fabriquer de l’antihydrogène sont limitées à 10⁶/s environ ;
• Créer des atomes de positronium en densité suffisante (10¹² cm^-2), en utilisant un substrat de silice mésoporeux ;
• Exploiter le positronium, en un temps extrêmement court (142 ns), comme cible pour des antiprotons

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

Expériences Concurrentes

ALPHA-g        (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus)
AEGIS        (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy)
 

 Localisation

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-L’expérience GBAR a commencé son installation au Cern en décembre 2016 ; elle doit être reliée à au nouvel anneau de décélération ELENA installé dans le hall du décélérateur d’antiprotons (AD) du Cern.

-Les projets SOPHI et SELMA sont situés sur le centre CEA de Saclay (ancien Hall Saturne). Le projet ANR SOPHI est le prototype de la source de positons que GBAR installe au Cern, et SELMA le petit accélérateur linéaire d’électrons qui l’alimente. Un autre projet ANR, ANTION, teste l’interaction entre des protons et le positronium. Il mesurera la production d’atomes d’hydrogène à Saclay, puis au Cern la production d’ions H^- puis celle d’antihydrogène et des ions H⁺

Contribution de l'IRFU

L'IRFU a initié ce projet.

Il a étudié et réalisé un faisceau de positons intense.

Il étudie la conversion des positons en positronium et l'interaction de protons/antiprotons avec ce positronium.

  Ampleur du projet

La collaboration GBAR rassemble 19 instituts de 9 pays.

GBAR /SOPHI est un des premiers projets ANR du département: cette expérience est financée par l'IRFU, l'ANR (pour SOPHI, POSITRAP et ANTION) et le département de l'Essonne (pour SELMA).

Le projet GBAR, de taille modeste à l’échelle des grandes expériences du CERN, est un projet hautement pluridisciplinaire, faisant appel à la physique des particules, physique atomique, physique des accélérateurs, lasers, etc. L'enjeu, ambitieux et complexe, est fondamental pour la physique, car toute déviation de la gravité de l’antimatière par rapport à celle de la matière conduirait à reconsidérer les modèles classiques au niveau le plus fondamental.

Contacts:

Patrice PEREZ

Yves SACQUIN

Laszlo LISZKAY

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 est effectué à l'aide d'un piège de Penning-Malmberg du type développé par C. Surko (piège « Buffer-gas ») à San Diego ou bien par A. Mohri (piège MRT, Multi-Ring Trap) à RIKEN. Ils seront ensuite extraits de ce piège et déversés sur un matériau convertisseur où ils produisent du positronium, en quelques dizaines de nanosecondes. Les antiprotons provenant de l'AD du CERN, et du second décélérateur ELENA sont stockés dans un piège tel que celui développé par la collaboration ASACUSA et extraits sous forme d'un faisceau de quelques keV traversant le nuage dense de positronium, avec lesquels ils entrent en interaction. Les ions ainsi formés sont transportés jusqu'à un piège atomique contenant une faible densité d'ions Be⁺, eux même refroidis par laser, 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'une impulsion laser provoquant le photo-détachement du positon excédentaire. Les atomes devenus neutres tombent et s’annihilent au contact de l’enceinte à vide contenant le piège. Les particules détectées donnent le temps d'arrivée t₂ sur la paroi. La distance dx entre la position dans le piège et celle de l’annihilation, 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 formule classique

dx = 1/2 g (t2-t1)²

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.

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.