Projet ANR-14-CE33-0008 – ANTION : Anti-ion
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Laszlo Liszkay (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)
Partenaires : Laboratoire public; Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière; Laboratoire public; Laboratoire Kastler Brossel
Montant : 589738.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Production controlee d’un anti-ion, l’ion de charge positive d’anti hydrogèneNous travaillons à la production, pour la première fois, d’un ion positivement chargé d’anti hydrogène dans des conditions contrôlées au laboratoire. Nous mesurerons la section efficace des réactions antiproton/positronium et anti hydrogène/positronium, ainsi que leurs contreparties en matière, qui mènent à la production de l’anti-ion. Les ions anti hydrogène seront utilisés dans l’expérience GBAR au CERN, qui vise à mesurer directement l’accélération gravitationnelle d’antimatière neutre
 Double reaction d’antiprotons avec un nuage dense de positronium.Le challenge principal du projet est la production d’un nuage dense de positronium, lequel servira de cible pour les antiprotons. Sa densité doit être suffisamment élevée pour permettre les deux réactions consécutives. La première entre un antiproton et un positronium (système lié positron-électron) produit un atome d’anti hydrogène neutre. La seconde réaction se passe entre cet anti-atome et un second positronium. Nous étudierons la possibilité d’utiliser un état excité du positronium (état 2P ou 3D) pour augmenter la section efficace de la réaction. Dans la première étape du projet nous utiliserons des protons au lieu des antiprotons afin d’étudier la réaction, puisque la section efficace de la réaction sur la matière et sur l’antimatière est la même.
Réaction entre positronium produit par un paquet intense de positons et un paquet d’antiprotons pulse au CERNUne source intense de positons (antiélectron) est nécessaire pour la production du positronium. Nous utiliserons une source innovante, développée à l’IRFU CEA/Saclay, basée sur un accélérateur compact d’électrons (linac). Cette source est de dimensions suffisamment petites pour être installée à l’intérieur du hall expérimental du décélérateur d’antiprotons (AD) du CERN. Les positons seront ralentis et une quantité inégalée sera accumulée dans un piège de Penning-Malmberg à haut champ. Le positronium sera généré lorsque les positons accumulés sont implantés sous la forme d’un court paquet à l’intérieur d’une cible de conversion spéciale. La cible de conversion, un film fin de silice mésoporeuse, a été développée et optimisée par la collaboration en vue d’une production de positonium efficace, de faible énergie et résistante aux radiations. L’excitation du positronium à l’état 3D sera effectuée par une réaction à deux photons, sans effet Doppler, utilisant un système laser développé par un groupe du LKB (Laboratoire Kastler Brossel). L’état 2P sera obtenu par un excitation à un photon excitation utilisant un peigne de fréquence. Un nouvel anneau décélérateur auprès de l’AD (ELENA) fournira les antiprotons pour l’expérience. Un décélérateur pulsé, développé par le groupe partenaire du CSNSM (Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière, Orsay), étend le ralentissement des antiprotons à quelques kilo électronvolts d’énergie cinétique. Pour la première phase de l’expérience, une source de protons sera fournie par le CSNSM. Pour la détection des atomes neutres d’une énergie de l’ordre du kilo électronvolt un détecteur basé sur une galette microcanaux sera utilisée avec une lecture optique Le groupe théorique (IPCMS Strasbourg) travaille au calcul de la section efficace et à la prédiction de l’énergie optimale et à la configuration ode la zone de réaction. Les résultats expérimentaux seront comparés prédictions théoriques.
Résumé de la soumission : Nous proposons de produire et étudier pour la première fois un ion d’antimatière, l’ion anti-hydrogène, de façon contrôlée en laboratoire. Il sera produit en deux étapes. La première est une réaction d’échange de charge pbar + Ps*->Hbar + e- (1), où pbar représente l’antiproton, Ps* le positronium (état lié positon-électron) soit dans l’état fondamental soit dans le niveau excité 2p ou 3d, Hbar l’anti-hydrogène et e- l’électron. La seconde réaction est Hbar + Ps* -> Hbar+ + e- (2), dans laquelle l’anti-hydrogène produit dans la première réaction interagit avec un autre positronium pour créer un ion anti-hydrogène (Hbar+), composé d‘un antiproton et de deux positons. Les antiprotons de 100 keV issus de la nouvelle facilité ELENA située auprès de l’ Antiproton Decelerator du CERN seront ralentis à 1-10 keV par un tube de glissement équipé d’un commutateur rapide, lequel est en phase de test et a été développé par l’un des partenaires de la collaboration (CSNSM). Les antiprotons seront focalisés sur un nuage dense de positronium, où les réactions (1) et (2) prendront place. Afin de produire ce nuage cible, nous utiliserons une source intense de positronium que nous développons pour l’expérience GBAR du CERN (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest), et qui est en phase finale de test. Un générateur de positons lents, basé sur un accélérateur de basse énergie, remplit un piège de positons à haut champ. Un paquet intense de positons est alors éjecté du piège et implanté sur une cible-convertisseur faite de silice poreuse. Ce convertisseur a été développé par un membre  la collaboration (IRFU). Afin d’augmenter la densité effective  de la cible, le positronium sera produit avec une faible énergie cinétique à l’intérieur d’une cavité dotée de parois réfléchissantes. Le positronium sera excité par un faisceau laser pulsé à ses niveaux 3d et 2p pour augmenter la production de l’ion anti-hydrogène. L’excitation 3d sera produite avec un ensemble laser existant (développé par le LKB), utilisant une réaction à deux photons, sans effet Doppler, induite par deux impulsions laser de 410 nm. Pour l’excitation 2p, un laser pulsé à 243 nm sera construit avec le support du présent projet. Dans une première étape, avant de travailler avec les antiprotons, nous mesurerons la section efficace de production d’hydrogène via la réaction d’échange de charge entre protons et le positronium: p + Ps* -> H* + e+ (3), et la réaction à quatre corps consécutive H + Ps* -> H- + e+ (4). Dans cette expérience une source de protons, fournie par le CSNSM, sera utilisée. La réaction (3) sera étudiée auprès de la source de positons lents de l’IRFU. Les réactions (4), (1) et (2) seront étudiées au CERN avec une intensité supérieure de positons et avec le faisceau d’antiprotons délivrés par le CERN pour la collaboration GBAR. Les sections efficaces déterminées expérimentalement seront comparées avec les prédictions théoriques menées dans le cadre du consortium ANTION (IPCMS). Parmi les quatre réactions, seule la section efficace de (3) a été étudiée expérimentalement, en utilisant exclusivement l’état fondamental du positronium. Les résultats de l’expérience représenteront un pas important vers la mesure de la gravitation sur des atomes d’anti-hydrogène (projet GBAR). Dans GBAR les anti-ions seront refroidis à une température de l’ordre de la dizaine de microKelvin, pour préparer, après détachement du positron excédentaire,  des atomes suffisamment lents pour une mesure de chute libre avec l’anti-hydrogène. L’appareillage développé dans le cadre du présent projet est une partie essentielle de l’instrumentation de GBAR.  La disponibilité d’anti-ions ouvrira aussi la voie vers d’autres mesures de précision sur l’antimatière, car les particules chargées peuvent être piégées et manipulées beaucoup plus aisément que les atomes neutres.
Résultats : La source de positons basée sur un linac est opérationnelle à l’IRFU. Nous travaillons à l’optimisation du piégeage des positons, ainsi qu’aux processus de ralentissement et d’accumulation. Au CERN, un nouveau linac, plus puissant est en construction pour la seconde partie du projet.
Perspectives : L’anti hydrogène produit par la technologie développée et optimisée par le projet ANTION servira à l’expérience GBAR. L’anti-ion chargé sera refroidi à une température d’environ 10 micro Kelvin en utilisant la technologie de refroidissement laser la plus sophistiquée. Après avoir retiré de l’ion l’un de ses deux positons par photo détachement, l’accélération gravitationnelle de l’atome neutre extrêmement froid sera mesurée. Au delà de GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest), la technologie pour créer et manipuler les anti-ions piégés ouvre la voie à des mesures de précision. La mesure des sections efficaces des réactions donne l’opportunité de comparer les modèles théoriques des réactions correspondantes à trois et quatre corps avec les résultats expérimentaux.
Publications et brevets : Nous avons fait des rapports sur l’état d’avancement du projet lors de plusieurs présentations orales invitées et normales dans des conférences internationales. ANTION constitue une contribution majeure au projet GBAR.