Synthèse de l'antihydrogène par échange de charge en vol d'antiprotons décélérés avec le positronium pour l'expérience GBAR

Synthesis of antihydrogen from in-flight charge exchange of decelerated antiprotons in positronium for the GBAR experiment

• Auteur / Autrice : Corentin Roumegou
• Direction : David Lunney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Laurette Cadet Ponce
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Soter, Michael Doser, Paul Indelicato
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Soter, Michael Doser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs linéaires

Gravitation

Antiprotons

Antimatière

Anti-gravité

Mots clés libres

Gravitation

Antimatière

Relativité Générale

Antiproton

Antihydrogène

Décélérateur

Gravitation

Antimatter

General Relativity

Antiproton

Antihydrogen

Decelerator

Résumé

L'expérience GBAR vise à mesurer l'accélération gravitationnelle de l'antimatière via la chute libre d'un atome d'antihydrogène. Il s'agit d'un test du principe d'équivalence faible qui, bien que bien vérifié à un niveau de précision de 10⁻¹⁵ pour la matière, n'a jamais fait l'objet de test expérimental concluant avec l'antimatière. La première étape consiste à produire un ion d'antihydrogène qui peut être refroidi à des températures de l'ordre du μK. Ensuite, la charge supplémentaire est photo-détachée et on peut observer la chute libre d'un atome d'antihydrogène neutre - "au repos" - sous l'effet seul de la gravité.Le principal défi de GBAR est la production de l'anti-ion à partir d'une double réaction d'échange de charges, d'antiprotons sur le positronium Ps (un état lié d'un positon et d'un électron). Dans la première réaction, un antiproton se lie à un positon du positronium pour former un antihydrogène de quelques keV. Lors de la seconde réaction, le nouvel atome d'antihydrogène réagit à nouveau avec un atome de positronium pour former un ion antihydrogène positif, composé de 2 positons et d'un antiproton.La première réaction, qui produit de l'antihydrogène à des états d'excitation faibles à partir de l'impact d'un faisceau d'antiprotons de 6 keV sur un nuage de positronium, est démontrée dans cette thèse. Le schéma spécifique de production « en vol » et le dispositif expérimental utilisé pour la prise de données sont décrits.D'après les calculs théoriques, l'énergie optimale pour la production d'anti-ions, compte tenu de la conjugaison des sections efficaces des deux réactions, est d'environ 6 keV. Pour décélérer davantage les antiprotons de 100 keV délivrés par l'anneau ELENA au CERN, GBAR a développé un décélérateur linéaire utilisant un « tube à dérive » pulsé. Cela permet d'obtenir une efficacité très élevée par rapport aux « dégradeurs » couramment utilisées. Ce dispositif a été largement retravaillé au cours de cette thèse. Les différents problèmes rencontrés et les solutions développées sont décrits.Une simulation complète de la ligne antiproton GBAR a été développée dans le logiciel SIMION et est présentée ici. L'optimisation de la ligne pour transporter le faisceau d'antiprotons décélérés jusqu'à la chambre de réaction où ils se mélangent au positronium est également détaillée. Enfin, la question de la section efficace pour la réaction de synthèse de l'antihydrogène est discutée.

The GBAR experiment aims at measuring the gravitational acceleration of antimatter via the free fall of an antihydrogen atom. This is a test of the Weak Equivalence Principle which, although well verified at a precision level of 10⁻¹⁵ for matter, never had any conclusive experimental test with antimatter. The first step is the production of an antihydrogen ion which can be cooled down to μK temperatures. Then the additional charge is photodetached and one can observe the free fall of a neutral antihydrogen atom - “at rest” - under gravity only.The main challenge of GBAR is the production of the anti-ion from a double charge-exchange reaction of antiprotons on positronium Ps (a bound state of a positron and an electron). In the first reaction, an antiproton binds with a positron from positronium, to form an antihydrogen at a few keV. During the second reaction, the new antihydrogen atom reacts again with a positronium atom, to form a positive antihydrogen ion composed of 2 positrons and 1 antiproton.The first reaction, producing antihydrogen at low excitation states from impact of a 6 keV antiproton beam on a positronium cloud, is demonstrated in this thesis. The specific “in-flight production” scheme and the experimental setup used for data taking are described.From theoretical works, the optimal energy for the anti-ion production, considering the conjugation of both reactions’ cross-sections, is around 6 keV. To further decelerate the 100 keV antiprotons delivered by the ELENA ring at CERN, GBAR developed a linear decelerator using a pulsed drift tube. This allows a very high efficiency compared to the commonly used degrader foils. This device was largely revised during this thesis. Various problems encountered and the developed solutions are described.A complete simulation of the GBAR antiproton line has been developed within the SIMION software and is presented here. The optimization of the line to transport the decelerated antiproton beam up to the reaction chamber where they mix with positronium is also detailed. Finally, the question of the cross-section for the antihydrogen synthesis reaction is discussed.