L’expérience appelée GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest), vise à observer la chute d’atomes d’antimatière formés à l’aide d’un accélérateur de particules, afin de vérifier s’ils se comportent comme la matière habituelle. Cette mesure est un test important du principe d’équivalence d’Einstein et des symétries fondamentales de l’Univers.
L’équipe menée par P.Pérez de l’Irfu/SPP, qui travaille depuis 7 ans à la conception de l’expérience, vient de voir ses efforts couronnés : le mercredi 18 janvier 2012 le Conseil scientifique de l’accélérateur SPS du Cern a décidé de recommander la proposition d’expérience GBAR. Les premières prises de données devraient avoir lieu en 2016.
La chute de l’antimatière
Données du problème:
Dans le modèle du big bang, l’antimatière a été créée à égalité avec la matière, or elle n’est pas observée dans l’Univers. Par ailleurs les observations récentes montrent que l’expansion de l’Univers s’accélère, ce qui est contradictoire avec l’effet attractif de la gravité. Enfin certains effets attribués à la matière noire pourraient en fait être dus à notre méconnaissance de l’attraction gravitationnelle.
Le principe d’équivalence entre masse inertielle – qui s’oppose au mouvement - et masse gravitationnelle – à l’origine de l’attraction des corps massifs - qui est au cœur de la relativité générale, n’a jamais été vérifié directement avec de l’antimatière.
En physique classique, le principe d’équivalence dit que la trajectoire d’une particule ne dépend que de sa masse et pas de sa structure interne ou de sa composition. Mais certains modèles quantiques supposent une accélération différente de l’antimatière dans un champ gravitationnel comme celui de la Terre.
Objectif du projet:
Les projets visant à mesurer la chute libre de particules chargées d’antimatière, comme l’antiélectron ou l’antiproton, nécessitent de blinder l’appareillage contre les champs électromagnétiques environnants à des niveaux qui n’ont pu être atteints. Aussi les projets actuels visent à utiliser des atomes neutres d’antimatière, et en tout premier lieu l’antihydrogène (un antiélectron et un antiproton) qu’il faut produire à très basse vitesse afin de pouvoir mesure leur chute avec un appareillage de taille raisonnable.
Le dispositif SOPHI a pour rôle de trier à l'aide d'un aimant les positrons parmi les particules sortant de la cible.
Le défi expérimental
La voie proposée par GBAR consiste à produire dans un premier temps l’ion
d'anti-hydrogène Hbar+ composé d’un antiproton et de deux positons (anti-électrons). Cet ion peut être ralenti à des vitesses de l’ordre du mètre par seconde, ce qui équivaut à une température de quelques millionièmes de kelvins. L’atome neutre d’antihydrogène est obtenu en arrachant le positon excédentaire avec un faisceau laser. La chute de ces atomes ultra-froids peut alors être observée.
L’expérience sera mise en œuvre grâce aux installations du Cern (AD, antiproton decelerator, et ELENA, extremely low energy antiproton, en construction) qui fourniront les antiprotons. Pour fabriquer l’ion Hbar+ , GBAR propose de faire interagir ces anti-protons avec du positronium, un état lié composé d’un électron et d’un positon, sorte d’atome d’hydrogène où le proton a été remplacé par un antiélectron.
L’ensemble de l’expérience comporte donc:
- une source et un piège à positons pour créer le positronium;
- un dispositif de ralentissement et de guidage des antiprotons vers la chambre de réaction où est produit le positronium;
- un système de guidage des ions vers un piège où ils sont refroidis;
- des lasers pour le refroidissement et pour enlever le positon excédentaire de l’ion et obtenir un atome ultra-froid;
- et enfin un détecteur pour mesurer les particules issues de l’annihilation de l’antihydrogène à la fin de sa chute.
Performances de la source de positons développée au CEA Saclay
Un point crucial du projet consiste à produire un nuage de positronium suffisamment dense pour produire l’ion anti-hydrogène. Pour cela un flux intense de positons est nécessaire. C’est dans ce but qu’a été développé au CEA Irfu, à Saclay, le dispositif expérimental SOPHI, pour «?SOurce de Positons de Haute Intensité?».
Les positons sont produits par l’interaction d’un faisceau intense d’électrons, fournis par un petit accélérateur linéaire industriel de 5 MeV, sur une cible de tungstène. Après leur passage à travers un dispositif magnétique de tri sélectif des électrons et des positons issus de la cible, les positons sont ralentis à une énergie de quelques électronvolts. Ils sont ensuite guidés magnétiquement jusqu’au piège où ils seront stockés.
SOPHI a fourni ses premiers positons lents en juillet 2011. Depuis janvier 2012 ce flux est de l’ordre de trois millions par seconde, ce qui équivaut aux plus puissantes sources radioactives de positons actuellement disponibles, mais sans les contraintes inhérentes à la manipulation de sources radioactives intenses. L’objectif final est d’obtenir un taux 100 fois plus élevé, avec un accélérateur de plus haute énergie.
Les positons seront stockés dans un piège dit de Penning Malmberg, composé d’électrodes baignant dans un champ magnétique de 5 teslas produit par un aimant supraconducteur. Ce piège a été fourni à la collaboration par le laboratoire RIKEN (Tokyo) et est actuellement installé à Saclay pour être connecté à la ligne de positons au cours du premier semestre 2012. Sa mise en service a commencé avec un premier piégeage d’électrons dès décembre 2011.
La figure suivante montre le dispositif complet qui sera opérationnel cette année.
Vue d’implantation de la ligne de positons lents. L’accélérateur linéaire est représenté par le boitier vert, suivi du sélecteur SOPHI. La ligne de guidage magnétique, sous vide, des positons, part au-dessus de SOPHI et sort de la casemate de tir pour arriver jusqu’au piège à positons, le cylindre en fin de ligne à gauche.
La validation au CEA-Saclay du concept de source de positons pilotée par un petit accélérateur est un des points clés de l’expérience. Cette réalisation, et le travail fourni autour du piège à positons, ont été le point de départ de la formation de la collaboration GBAR, qui regroupe aujourd’hui une quarantaine de physiciens de 14 instituts répartis dans 8 pays.
La recommandation de l’expérience par le SPSC est une étape importante pour l’expérience GBAR qui vise une installation au CERN avant le démarrage du nouvel anneau d’antiprotons du Cern, ELENA.
Contact :
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Interactions fondamentales: tests à basse énergie Structure et évolution de l'Univers
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique des Particules (DPhP) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
