The GBAR experiment (Gravitational Behaviour of Anti hydrogen at Rest) at CERN, aims to measure the free fall acceleration of ultracold neutral anti hydrogen atoms in the gravity field of the Earth. Anti hydrogen ions (one anti proton and two positrons) are produced in the interaction of antiprotons and positronium in two subsequent charge exchange reactions. These ions will be sympathetically cooled with Be + ions to less than 10 µK. The ultracold ions will then be photo-ionized just above threshold, and the free fall time over a known distance measured.
The GBAR experiment (Gravitational Behaviour of Anti hydrogen at Rest) at CERN, aims to measure the free fall acceleration of ultracold neutral anti hydrogen atoms in the gravity field of the Earth. Anti hydrogen ions (one anti proton and two positrons) are produced in the interaction of antiprotons and positronium in two subsequent charge exchange reactions. These ions will be sympathetically cooled with Be + ions to less than 10 µK. The ultracold ions will then be photo-ionized just above threshold, and the free fall time over a known distance measured.
Abstract The GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) experiment at CERN has been proposed to measure the gravitational acceleration of the ultracold antihydrogen atoms. This experiment produces antihydrogen ions through interactions between antiprotons and positronium atoms. Then, antihydrogen atoms are produced for the free-fall experiment after the photo-detachment of an excess positron from the cold antihydrogen ions. The energy of the antiproton beam before the positronium target chamber will be in the range of 1–10 keV. The cross-section for the reaction between the antiprotons and positroniums depends mainly on the energy of the antiprotons. Hence, to maximize the productivity of antihydrogen ions, a sufficient number of antiprotons should be provided with well-controlled energy. In this regard, an antiproton trap is considered to accumulate and slow down antiproton beams, and cool them utilizing the electron cooling technique. This trap is designed based on the Penning-Malmberg trap, which consists of a superconducting solenoid magnet and a series of ring electrodes including high-voltage electrodes to trap antiprotons. In addition, a set of extraction electrodes and optics for beam transport are used. Each electrode has been designed and optimized using the WARP PIC simulations. In this study, the design and simulation results of each trap component are presented.
Different experiments are ongoing to measure the effect of gravity on cold neutral antimatter atoms such as positronium, muonium and antihydrogen. Among those, the project GBAR in CERN aims to measure precisely the gravitational fall of ultracold antihydrogen atoms. In the ultracold regime, the interaction of antihydrogen atoms with a surface is governed by the phenomenon of quantum reflection which results in bouncing of antihydrogen atoms on matter surfaces. This allows the application of a filtering scheme to increase the precision of the free fall measurement. In the ultimate limit of smallest vertical velocities, antihydrogen atoms are settled in gravitational quantum states in close analogy to ultracold neutrons (UCNs). Positronium is another neutral system involving antimatter for which free fall under gravity is currently being investigated at UCL. Building on the experimental techniques under development for the free fall measurement, gravitational quantum states could also be observed in positronium. In this contribution, we review the status of the ongoing experiments and discuss the prospects of observing gravitational quantum states of antimatter and their implications.
Different experiments are ongoing to measure the effect of gravity on cold neutral antimatter atoms such as positronium, muonium, and antihydrogen. Among those, the project GBAR at CERN aims to measure precisely the gravitational fall of ultracold antihydrogen atoms. In the ultracold regime, the interaction of antihydrogen atoms with a surface is governed by the phenomenon of quantum reflection which results in bouncing of antihydrogen atoms on matter surfaces. This allows the application of a filtering scheme to increase the precision of the free fall measurement. In the ultimate limit of smallest vertical velocities, antihydrogen atoms are settled in gravitational quantum states in close analogy to ultracold neutrons (UCNs). Positronium is another neutral system involving antimatter for which free fall under gravity is currently being investigated at UCL. Building on the experimental techniques under development for the free fall measurement, gravitational quantum states could also be observed in positronium. In this contribution, we report on the status of the ongoing experiments and discuss the prospects of observing gravitational quantum states of antimatter and their implications.
The GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) experiment at CERN, situated on the antiproton decelerator ring (AD), is aimed at investigating the free fall of antihydrogen atoms prepared at rest, as suggested by J. Walz and Th. Hänsch [1]. This experiment employs two trapped ions: one is a Be+ ion cooled via laser, while the other, an Hbar+ ion, undergoes cooling through interactions with the Be+ ion (sympathetic cooling). We are developing a test-bed experiment designed to explore sympathetic cooling of a light ion using a cloud of laser-cooled heavy ions, mimicking the conditions anticipated in the GBAR project [2]. The experimental setup involves the pairing of 88Sr+ (laser-cooled ion) and 9Be+ (sympathetically cooled ion). The choice of these ions offers two advantages: the ability to optically address the 9Be+ ion for thermometry measurements and their mass ratio (88/9 ≈ 9.8) closely resembling that in the GBAR project (9/1). Preliminary experimental results [3] demonstrate sympathetic cooling of 9Be+ ions by laser-cooled 88Sr+ ions, forming a Coulomb crystal. Detection of sympathetically cooled ions relies on analyzing Coulomb crystal images, revealing dark areas where non-laser-cooled Be+ ions reside. Molecular dynamics simulations showed strong spatial segregation for both species, due to their high mass ratios [4]. However, the initial experiment did not include laser addressing of the 9Be+ ions for measuring cooling dynamics and control over the initial energy of Be+ ions. The next stage of the project therefore involves adding the 313nm laser for addressing Be+ ions and utilizing a 2-zone trap to control the initial energy of a single Be+ ion. This will enable us to measure for the first time the capture dynamics of a light ion by a Coulomb crystal and to follow its cooling over several decades (typically from 10000K to mK). We will compare these measurements with numerical simulations [4]. Initially, only Sr+ ions were employed to validate trapping and cooling conditions, characterize photon collection optics, and test ion transport protocols between trapping zones. A method utilizing Doppler recooling was developed to characterize the initial energy of Sr+ ions upon arrival in the target trap. Subsequently, using the Be+ ion cooling laser at 313 nm, it will be possible to cool a single Be+ ion and transport it with controlled kinetic energy to the second trapping zone, already loaded with a Sr+ Coulomb crystal. The kinetic energy loss of the Be+ ion is quantified by measuring laser-induced fluorescence rate at resonance, which produces no laser cooling or heating. Thermalization of the light ion via coulomb interactions will then be studied for different heavy-ion crystal temperatures, shapes and ion numbers.
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.
Synthèse de l'antihydrogène par échange de charge en vol d'antiprotons décélérés avec le positronium pour l'expérience GBAR 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.