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CEA
Service de Physique des Particules
GBAR
Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest

Piège "Buffer gas" construit à Saclay pour le piégeage des positrons.

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

-

-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

 

Maj : 09/06/2017 (784)

Production intellectuelle

Publications

2015

  1. The GBAR antimatter gravity experiment
    P. Pérez et al., Hyperfine Interactions 233, 21-27 (2015)

2014

  1. H+ production from collisions between positronium and keV antiprotons for GBAR
    P. Comini, P. -A. Hervieux and F. Biraben, Hyperfine Interactions 228, 159 (2014)
  2. The GBAR project, or how does antimatter fall?
    P. Indelicato et al., Hyperfine Interactions 228, 141 (2014)
  3. A spectroscopy approach to measure the gravitational mass of antihydrogen
    A.Yu. Voronin, V.V. Nesvizhevsky, G. Dufour, P. Debu, A. Lambrecht, S. Reynaud, O.D. Dalkarov, E.A. Kupriyanova, P.Froelich, arXiv:1403.4783 [physics.atom-ph] (2014)
  4. Shaping the distribution of vertical velocities of antihydrogen in GBAR
    G. Dufour, P. Debu, A. Lambrecht, V.V. Nesvizhevsky, S. Reynaud, A.Yu. Voronin, Eur. Phys. J. C 74 (2014) 2731

2013

  1. H+ ion production from collisions between antiprotons and excited positronium:
    cross sections calculations in the framework of the GBAR experiment

    P. Comini and P.-A. Hervieux, New J. Phys. 15 (2013) 095022
  2. Linac-based positron source and generation of a high density positronium cloud for the GBAR experiment
    L. Liszkay, P. Comini, C. Corbel, P. Debu, P. Dupré, P. Grandemange, P. Pérez, J-M. Rey, Y. Sacquin, J. Phys.: Conf. Ser. 443 (2013) 012006
  3. H and H+ production cross sections for the GBAR experiment
    Pauline Comini and Paul-Antoine Hervieux, J. Phys.: Conf. Ser. 443 (2013) 012007
  4. Status of the Linac based positron source at Saclay
    J-M. Rey, G. Coulloux, P. Debu, H. Dzitko, P. Hardy, L. Liszkay, P. Lotrus, T. Muranaka, C. Noel, P. Pérez, O. Pierret, N. Ruiz and Y Sacquin, J. Phys.: Conf. Ser. 443 (2013) 012077
  5. Quantum reflection of antihydrogen from nanoporous media
    G. Dufour, R. Guérout, A. Lambrecht, V.V. Nesvizhevsky, S. Reynaud, A.Yu. Voronin, Phys. Rev. A 87 (2013) 022506
  6. Quantum reflection of antihydrogen from the Casimir potential above matter slabs
    G. Dufour, A. Gérardin, R. Guérout, A. Lambrecht, V.V. Nesvizhevsky, S. Reynaud, A.Yu. Voronin, Phys. Rev. A 87 (2013) 012901

2012

  1. The GBAR experiment: gravitational behaviour of antihydrogen at rest
    P. Pérez, Y. Sacquin, Class. Quantum Grav. 29 (2012) 184008

2011

  1. GBAR
    P. Debu, New Journal of Physics 14 (2011) 065009
  2. Proposal to measure the Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest: GBAR
    CERN-SPSC-2011-029 / SPSC-P-342, (30/09/2011)

2010

  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).

2009

  1. A mini linac based positron source
    P. Pérez et al., Phys. Status Solidi C 6, 2462 (2009).
  2. 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).
  3. Ortho-positronium reemission yield and energy in surfactant-templated mesoporous silica films
    L. Liszkay et al., Materials Science Forum 607, 30-33 (2009).

2008

  1. Positronium reemission yield from mesostructured silica films
    L. Liszkay et al., Appl. Phys. Lett. 92, 063114 (2008).
  2. 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.
  3. A Scheme to Produce a Dense Positronium Plasma for an Antihydrogen Experiment
    P. Pérez et al., Appl.
    Surf. Sci. 255, 33-34 (2008).

2007

  1. Orthopositronium annihilation and emission in mesostructured thin silica and silicalite-1 films
    L. Liszkay et al., Appl. Surf. Sci. 255, 187-190 (20082007).
  2. Letter of Intent to the CERN-SPSC
    P. Pérez et al., CERN-SPSC-2007-038 (2007).

2005

  1. 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.
  2. 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.
  3. A new path toward gravity experiments with antihydrogen
    P. Pérez and A. Rosowsky, Nucl.
    Instr. Meth. A 545, 20-30 (2005).

2004

  1. 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 : 09/06/2017 (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 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

 

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

Moyens d'investigation

On peut estimer que le piège à antiprotons du modèle développé dans la collaboration ASACUSA peut 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). Les interactions dans cette cible produisent des atomes d'antihydrogène et des ions H+. On estime 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 il faut envoyer 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.

 

Spécificités

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

 

La spécificité de l’expérience GBAR réside dans l’utilisation de l’ion H+  créé dans la suite de réactions:

 

 

 

 

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

 

 

En cours de réalisation:

 
  • Construction de la source de positons au CERN, et de la ligne de transport des positons ;

  • Mise au point à Saclay du piège « Buffer-Gas » ;

  • Premiers essais de production d’hydrogène par la réaction

p + Ps -> H + e+

Réaction conjuguée de charge de celle qui sera obtenue au CERN avec des antiprotons.

 

 

Maj : 12/06/2017 (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 : 17/01/2017 (2069)

Collaborations

GBAR est une collaboration internationale dont les membres sont:

 

  • CEA/IRFU
  • CSNSM/IN2P3 Orsay (FR)
  • ETH Zurich (CH)
  • ILL Grenoble (FR)
  • IPCMS Strasbourg (FR)
  • LKB Paris, (FR)
     
  • Lebedev Institute Moscow (RU)
     
  • JGU Mainz (GE),
     
  • NCBJ Otwock-Swierk (PL)
     
  • Swansea University (UK)
     
  • RIKEN (JP)
  • University of Tokyo, Komaba, (JP)
  • Kyoto University (JP)
     
  • Uppsala University (SE)
  • Stockholm University (SE)
     
  • Seoul National University (KR)
  • Institute for Basic Science Daejon (KR)
  • Korea University (KR)
  • Ulsan National Institute (KR)
 

Maj : 09/06/2017 (1923)

Vie de l'expérience

 Historique et principaux jalons

R & D SOPHI (SOurce de Positons de Haute Intensité):

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 140 mA (pic, 0,112 mA moy.).

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

02/2011: Mise en place du piège MRT venu du RIKEN (Japon)

06/2011: Production de positons lents et transport jusqu'au piège

Expérience GBAR

09/2011: Soumission du proposal GBAR au SPSC du CERN

02/2012: Acceptation de l'expérience GBAR par le CERN

2015-2016: construction d'un deuxième piège "Buffer-Gas"

2016: Début de l'installation au Cern: construction du bunker pour le linac, éléments de la ligne de positons

 

Thèses

Les thèses proposées portent sur:

-La mise au point du piégeage par Buffer-Gas

-La mesure de production d'hydrogène, puis d'antihydrogène, par interaction de protons/antiprotons sur un nuage de positronium

 

Stages

-Calibrations de détecteurs pour la normalisation du faisceau de positons

- Simulations de l'interaction proton-positronium

 

 Perspectives

Mesure de la production d'hydrogène à Saclay (2017)

Mesure de la production d'antihydrogène et de l'ion antihydrogène+ au Cern (2017-2018)

Mesure de l'attraction gravitationnelle sur l'antihydrogène (2018+)

 

Contacts:

 

Patrice PEREZ

Yves SACQUIN

Laszlo LISZKAY

 

 

 

 

 

Maj : 01/06/2017 (1924)

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 : 17/01/2017 (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 : 17/01/2017 (2057)

 

 

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