Département de Physique des Particules

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, au début des années 2010, aucune mesure directe n’avait été réalisée sur des particules d’antimatière. Le CERN a donc lancé un programme auprès du Décélérateur d’Antiprotons (AD) qui permettait 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 est alors 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 est reliée à au nouvel anneau de décélération ELENA installé dans le hall du décélérateur d’antiprotons (AD) du Cern et a produit les premiers atomes d'antihydrogène en 2022 (P. Adrich et al., Eur. Phys. J. C 83, 1004 (2023)).

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 17 instituts de 9 pays.

GBAR /SOPHI fut un des premiers projets ANR du département: cette expérience a été initialement 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

Laszlo LISZKAY