Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Pour cette étude, un équipement original a été installé au Cern, sur un faisceau de positons émis par une source de sodium-22, ralentis puis amenés à une énergie de quelques keV sur une cible (Figure 1). Un dispositif de mesure de temps de vie du positronium a été monté autour de cette cible : un compteur-chronomètre démarre lors de la détection de l'électron émis lors de l'arrivée du positon sur la cible et s'arrête lors de la détection, par un détecteur de grande acceptance angulaire, d’un des rayons gamma produits lors de l’annihilation du Ps. Ceci permet aussi de mesurer directement le rendement de réémission d’atomes de positronium par des cibles solides. Cette mesure est dite en réflexion, car les atomes de Ps sont réémis dans le vide vers le faisceau incident de positons lents. La cible est faite d’un film mésoporeux (contenant des cavités nanométriques) de silice, un matériau dérivé des poudres de silice, dans lesquelles la réémission de Ps a été découverte dans les années 60 par un physicien de Saclay ²⁾.

Le compteur enregistre le temps qui sépare l’entrée d’un positon dans la cible de celui de son annihilation. Chaque mesure est répétée sur plusieurs millions d’annihilations. Ce spectromètre est optimisé pour détecter le mode d’annihilation à trois photons de l’état ortho du positronium, o-Ps. Cet état a une durée de vie de 142 ns, et les temps de vie mesurés se répartissent selon une loi exponentielle, qui se traduit par une droite dans la distribution, en échelle logarithmique, des temps enregistrés (Figure 2).

Cet équipement a permis de montrer que le dépôt de films mésoporeux à base de silice sur des substrats de silice permet d’obtenir des rendements atteignant 40 % (Figure 3). C’est la première fois qu’un tel rendement avec ce matériau a été observé dans une mesure directe. Ce rendement varie fortement avec les conditions de fabrication du film qui conditionnent la distribution et l’interconnexion des pores dans le film et le volume vide qui leur est associé. Par ailleurs, ce rendement correspond à des atomes oPs qui sont réémis à basse énergie par le milieu poreux, ce qui est recherché pour la production ultérieure d’antihydrogène.

Grâce à cet équipement, il a été possible pour la première fois de quantifier la réémission du Ps et de comparer de manière tout à fait fiable les performances de différentes cibles. Cela permettra d’optimiser la fabrication des cibles pour obtenir de hauts rendements de réémission et de déterminer si d’autres matériaux de type mésoporeux ont de meilleurs rendements que ceux à base de silice. Il faudra aussi évaluer comment le vieillissement des cibles affecte leurs rendements, tant en l’absence qu’en présence d’irradiation comparable à celle résultant d'un fonctionnement dans des faisceaux intenses de positons.