GBAR

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Un nouveau projet, appelé GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) vise à mesurer l’accélération de chute libre d’atomes d’antihydrogène neutres dans le champ de gravitation terrestre. Initié par Patrice Perez (CEA / Irfu), GBAR est une collaboration internationale comprenant quinze instituts en France, Allemagne, Japon, Pologne, Russie, Royaume-Uni et Suisse. Plusieurs groupes du LKB sont impliqués dans cette collaboration. Le projet est décrit dans la proposition qui a été soumise au CERN en Septembre 2011 et approuvée en mai 2012. Le projet est actuellement en cours d’installation au CERN.

Schéma expérimental

Schéma expérimental

Les étapes nécessaires à la réalisation de l’expérience GBAR sont les suivantes :
- Production d’un flux intense de positrons de basse énergie (quelques MeV) à partir de l’interaction sur une cible mince de tungstène d’un faisceau d’électrons de 10 MeV produit par un petit accélérateur.
- Sélection des positrons et de suppression des fonds d’électrons et de rayons gamma avec un séparateur magnétique.
- Modération des positrons jusqu’à quelques eV.
- Accumulation des positrons dans un piège Penning-Malmberg à haut champ, où ils se refroidissent à quelques meV et sont ensuite éjectés en moins de 100 ns sur une cible de silicate poreux pour former un nuage dense d’ortho-positronium.
- Excitation du positronium pour gagner un facteur important sur leur section efficace d’interaction avec des antiprotons.
- Interaction avec le faisceau d’antiprotons d’énergie très faible extrait du décélérateur d’antiprotons (Antiproton Decelerator AD), suivie par l’anneau ELENA au CERN, dans le but de produire les atomes d’antihydrogène et des ions.
- Accumulation des ions et refroidissement sympathique jusqu’à 10μK.
- Photo-détachement au seuil des positrons en excès et mesure de la chute libre des atomes d’antihydrogène.
- A plus long terme, une plus grande précision sur la mesure peut être atteint en faisant la spectroscopie des niveaux de l’antihydrogène dans le champ de gravité, en s’inspirant de la méthode utilisée pour les neutrons ultra froids à l’ILL (Institut Laue Langevin).

Dans ce programme, les équipes du LKB sont en charge des éléments suivants
- Excitation du positronium et photodétachement
- (Equipe Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux)
- Refroidissement des ions d’antihydrogène
- (Equipe Ions piégés)
- Étude de la réflexion quantique des atomes d’antihydrogène et spectroscopie des états quantiques dans le champ de gravitation
- (Equipe Fluctuations quantiques et relativité avec l’ILL).

Motivations et principe

Motivations et principe

La motivation scientifique de GBAR est de tester le Principe d’équivalence d’Einstein avec de l’antimatière. La validité du principe d’équivalence pour l’antimatière est une question scientifique dont l’intérêt est fortement renforcée par l’observation de l’accélération de l’expansion de l’Univers, qui soulève des questions fondamentales sur les théories de la gravitation. Cette découverte a déclenché de très grands projets en astrophysique. L’introduction de l’énergie noire pour tenir compte des observations conduit à des questions ouvertes liées à la physique des particules. En outre, la teneur en matière de Univers semble être dominée par ce qu’on appelle la matière noire, dont la nature et les propriétés sont encore inconnues. Ces faits d’observation suggèrent que notre compréhension de la gravitation reste incomplète.

Les caractéristiques principales de l’expérience proposée suivent une idée de J. Walz et T.W. Hänsch (General Relativity and Gravitation 36, (2004) 561). L’originalité de l’idée est de produire l’ion antihydrogène positif avant l’atome antihydrogène. L’ion peut être refroidi à des températures de l’ordre du μK (des vitesses de l’ordre du m/s), puis les positrons en excès photodétachés par laser afin de récupérer l’atome neutre et d’observer sa chute libre. Ce processus peut être adapté pour minimiser le transfert d’impulsion dans la direction verticale. La température atteinte dans le refroidissement des ions est la source principale d’erreur systématique. L’ion est produit par un processus d’échange de charge entre anti-protons et positroniums.

La mesure nécessite une grande production d’antihydrogène à des vitesses très faibles, ce qui est un défi expérimental. Le refroidissement sympathique d’ions jusqu’à moins de 100μK est un élément essentiel de la méthode. La précision sur la mesure de l’accélération des atomes d’antihydrogène est statistiquement limitée et dépend de la température des ions. Par exemple, à 10μK, une précision de 1% est obtenue avec 1500 atomes. C’est la précision visée pour la première phase de l’expérience, qui pourrait être obtenue en quelques semaines de fonctionnement. Une durée plus longue permettrait une mesure au niveau de 0,1%. Dans une prochaine génération, une nouvelle technique utilisant la spectroscopie des niveaux quantique d’atomes d’antihydrogène dans le champ de gravité pourrait donner une précision encore meilleure sur la mesure de l’accélération.