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
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.
Schéma de principe de la production des ions d'antihydrogène.
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:
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Construction de la source de positons au CERN, et de la ligne de transport des positons ;
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Mise au point à Saclay du piège « Buffer-Gas » ;
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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.
