Le faisceau de positons développé à l’Irfu pour l’expérience GBAR vient de produire ses premiers lots de positronium, une étape importante pour la collaboration GBAR qui vise à produire des atomes d'antihydrogène et à mesurer leur chute libre pour comprendre comment la gravitation agit sur l'antimatièrere.
Produire du positronium est une étape indispensable au projet. Ceci a été possible grace à la mise au point d'une source intense de positons, ce qui interesse plusieurs domaines industriels de pointe. Une start-up est en cours de montage pour exploiter ce concept.
L’expérience GBAR vise à produire des atomes d’antihydrogène et à mesurer leur chute libre, afin de déterminer si la gravitation agit sur l’antimatière comme sur la matière. Cette expérience, qui sera installée auprès du faisceau d’antiprotons du Cern, nécessite la production de grandes quantités de positronium, sorte d’atome fait d’un électron et d’un antiélectron, le positon. Pour cela une source de positons de haute intensité, baptisée SOPHI, basée sur un petit accélérateur linéaire d’électrons (linac), a été construite à l’Irfu. Cette source alimente d’une part un piège à particules où les positons seront accumulés, d’autre part un spectromètre destiné à mesurer les taux de positronium obtenus en envoyant les positons sur différents substrats. Ce dispositif est maintenant opérationnel et a fourni ses premières mesures de positronium.
La spectroscopie à positons est un outil de caractérisation physique des matériaux qui intéresse plusieurs domaines industriels de pointe. L’originalité de la source de GBAR est de produire les positons par un linac et non par un élément radioactif. Une start-up est en cours de montage pour exploiter ce concept, permettant une valorisation du développement réalisé.
Photo de la ligne de transport des positons jusqu’au spectromètre en cours de mise au point
Schéma d’implantation à Saclay
La production et le guidage des positons a nécessité de longues et minutieuses mises au point. Les positons sont produits par l’interaction des électrons du linac (de 4,3 MeV d’énergie) sur une cible en tungstène. Ces positons d’énergies très diverses sont aussitôt ralentis en ré-interagissant avec un
« modérateur », constitué par un écran fait de fines grilles également en tungstène. Dans ce modérateur, une partie des positons ressortent avec une énergie de quelques électronvolts. Ils sont ensuite ré-accélérés à 50 eV de manière à obtenir un faisceau monocinétique qui est guidé dans le vide par des bobines magnétiques jusqu’à son point d’utilisation. En cours de route, les positons sont stockés dans un tube limité par deux barrières de potentiel qui permettent leur écoulement progressif, produisant un faisceau quasi-continu de particules, au lieu de pulses correspondant à ceux du linac et qui sont inexploitables par un spectromètre. La figure ci-contre montre l’ensemble du dispositif.
Les interactions des positons sur l’échantillon à analyser provoquent la formation de positronium, tout en éjectant des électrons qui sont détectés par une galette de microcanaux (MCP). Le positronium en se désintégrant émet des rayons gamma détectés par des scintillateurs. La mise en évidence du positronium repose sur sa durée de vie, déterminée par le temps écoulé entre le déclenchement de la MCP et la détection des rayons gamma. Cette durée de vie indique si celui-ci est émis dans le vide ou dans des pores nanométriques du matériau ; cela renseigne sur la structure du matériau (lacunes, porosité...) à l’échelle nanométrique, information inaccessible par d’autres méthodes.
La figure ci-contre montre les spectres en temps obtenus d’une part avec un échantillon ne produisant pas de positronium (en bleu), d’autre part avec un échantillon produisant du positronium (en rouge). Ce dernier est formé d’un film mince nanoporeux de silice sur un substrat en silicium, spécialement développé à Saclay pour GBAR. La pente de la courbe donne la mesure du temps de vie moyen du positronium produit, ici 142 ns, durée de vie dans le vide. L’observation de ce signal représente une étape importante pour l’équipe de l’Irfu engagée dans ce travail.
Spectres en temps des rayons gamma détectés avec deux échantillons dont l’un (en rouge) est le siège d’une production de positronium émis dans le vide, signe qu’il contient des nanopores ouverts.
La source délivre actuellement 3,6 106 positons lents par seconde, et le dispositif associé permet au spectromètre d’enregistrer quelques dizaines de milliers de désintégrations par seconde, ce qui confirme la capacité du dispositif à rivaliser avec les sources radioactives, habituellement utilisées pour ce type d’étude. Cela permettra à la collaboration GBAR de mettre au point des convertisseurs optimisant la production de positronium, afin d’en produire avec une densité record nécessaire pour la production des atomes et des ions antihydrogène dont elle a besoin.
Avec la mise en route de ce spectromètre, la collaboration GBAR franchit une étape dans la mise au point de son appareillage. Cela permet également à l’équipe de l’Irfu de valider un savoir-faire avant sa valorisation.
contacts: ,
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales The ultimate constituents of matter
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • 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)
• GBAR
