Cold antihydrogen atoms are a powerful tool to probe the validity of fundamental physics laws, and it's clear that colder atoms, generally speaking, allow an increased level of precision. After the first production of cold antihydrogen (
Hˉ) in 2002, experimental efforts have progressed continuously (trapping, beam formation, spectroscopy), with competitive results already achieved by adapting to cold antiatoms techniques previously well developed for ordinary atoms. Unfortunately, the number of
Hˉ atoms that can be produced in dedicated experiments is many orders of magnitude smaller than available hydrogen atoms, which are at hand in large amount, so the development of novel techniques that allow the production of
Hˉ with well defined conditions (and possibly control its formation time and energy levels) is essential to improve the sensitivity of the methods applied by the different experiments. We present here the first experimental results concerning the production of
Hˉ in a pulsed mode where the time when 90\% of the atoms are produced is known with an uncertainty of around 250~ns. The pulsed
Hˉ source is generated by the charge-exchange reaction between Rydberg positronium atoms (
Ps) and trapped antiprotons (
pˉ), cooled and manipulated in an electromagnetic trap:
pˉ+Ps∗→Hˉ∗+e− where Rydberg positronium atoms, in turn, are produced through the implantation of a pulsed positron beam into a mesoporous silica target, and are excited by two subsequent laser pulses, the first to
n=3, the second to the needed Rydberg level (
n≃17). The pulsed production allows the control of the antihydrogen temperature, and facilitates the tunability of the Rydberg states, their de-excitation by pulsed lasers and the manipulation through electric field gradients. In fact, the production of pulsed antihydrogen is a major milestone in the AEgIS experiment to perform direct measurements of the validity of the Weak Equivalence Principle for antimatter.
Antihydrogen atoms are routinely formed at CERN in a broad range of Rydberg states. Ground-state antiatoms, those useful for precision measurements, are eventually produced through spontaneous decay. However given the long lifetime of Rydberg states the number of ground-state antihydrogen atoms usable is small, in particular for experiments relying on the production of a beam of antihydrogen atoms. Therefore, it is of high interest to efficiently stimulate the decay in order to retain a higher fraction of ground-state atoms for measurements. We propose a method that optimally mixes the high angular momentum states with low ones enabling us to stimulate, using a broadband frequency laser, the deexcitation toward low-lying states, which then spontaneously decay to the ground state. We evaluate the method in realistic antihydrogen experimental conditions. For instance, starting with an initial distribution of atoms within the
n=20−−30 manifolds, as formed through the charge exchange mechanism, we show that more than 80% of antihydrogen atoms will be deexcited to the ground state within 100 ns using a laser producing 2 J at 828 nm.
Ma thèse s’est déroulée dans le cadre de la collaboration AEgIS, une des expériences étudiant l’antimatière au CERN. L’objectif final est de mesurer l’effet de la gravité sur un faisceau froid d’antihydrogène (Hbar). AEgIS se propose de créer les Hbar froids par échange de charges entre un atome de Positronium (Ps) excité (état de Rydberg) et un antiproton piégé : 〖Ps〗^*+ pbar → (H^*)⁻ + e⁻. L’étude de la physique du Ps est cruciale pour AEgIS, et demande des systèmes lasers adaptés. Pendant ma thèse, ma première tâche a été de veiller au bon fonctionnement des systèmes lasers de l’expérience. Afin d’exciter le positronium jusqu’à ses états de Rydberg (≃20) en présence d’un fort champ magnétique (1 T), deux lasers pulsés spectralement larges ont été spécialement conçu. Nous avons réalisé la première excitation par laser du Ps dans son niveau n=3, et prouvé une excitation efficace du nuage de Ps vers les niveaux de Rydberg n=16-17. Ces mesures, réalisées dans la chambre à vide de test d’AEgIS, à température ambiance et pour un faible champ magnétique environnant, sont la première étape vers la formation d’antihydrogène. Le prochain objectif est de répéter ces résultats dans l’enceinte du piège à 1 T, où les antihydrogènes seront formés. Pour autant, malgré l’excitation Rydberg des Ps pour accroître la section efficace de collision, la production d’antihydrogène restera faible, et la température des H bar formés sera trop élevée pour toute mesure de gravité. Pendant ma thèse, j’ai installé au CERN un autre système laser prévu pour pratiquer une spectroscopie précise des niveaux de Rydberg du Ps. Ce système excite des transitions optiques qui pourraient convenir à un refroidissement Doppler : la transition n=1 ↔ n=2. J’ai étudié la possibilité d’un tel refroidissement, en procédant à des simulations poussées pour déterminer les caractéristiques d’un système laser adapté La focalisation du nuage de Ps grâce au refroidissement des vitesses transverses devrait accroitre le recouvrement des positroniums avec les antiprotons piégés, et ainsi augmenter grandement la production d’Hbar. Le contrôle du refroidissement et de la compression du plasma d’antiprotons est aussi essentiel pour la formation des antihydrogènes. Pendant les temps de faisceaux d’antiprotons de 2014 et 2015, j’ai contribué à la caractérisation et l’optimisation des procédures pour attraper et manipuler les antiprotons, afin d’atteindre des plasmas très denses, et ce, de façon reproductible. Enfin, j’ai participé activement à l’élaboration d’autre projet à l’étude AEgIS, qui vise aussi à augmenter la production d’antihydrogène : le projet d’un refroidissement sympathique des antiprotons, en utilisant un plasma d’anions refroidis par laser. J’ai étudié la possibilité de refroidir l’ion moléculaire C₂⁻, et les résultats de simulations sont encourageants. Nous sommes actuellement en train de développer au CERN le système expérimental qui nous permettra de faire les premiers tests de refroidissement sur le C₂⁻. Si couronné de succès, ce projet ne sera pas seulement le premier résultat de refroidissement par laser d’anions, mais ouvrira aussi les portes à une production efficace d’antihydrogènes froids.
Manipulation et refroidissement laser de l'antimatière, au sein de l'expérience AEgIS Ma thèse s’est déroulée dans le cadre de la collaboration AEgIS, une des expériences étudiant l’antimatière au CERN. L’objectif final est de mesurer l’effet de la gravité sur un faisceau froid d’antihydrogène (Hbar). AEgIS se propose de créer les Hbar froids par échange de charges entre un atome de Positronium (Ps) excité (état de Rydberg) et un antiproton piégé : 〖Ps〗^*+ pbar → (H^*)⁻ + e⁻. L’étude de la physique du Ps est cruciale pour AEgIS, et demande des systèmes lasers adaptés. Pendant ma thèse, ma première tâche a été de veiller au bon fonctionnement des systèmes lasers de l’expérience. Afin d’exciter le positronium jusqu’à ses états de Rydberg (≃20) en présence d’un fort champ magnétique (1 T), deux lasers pulsés spectralement larges ont été spécialement conçu. Nous avons réalisé la première excitation par laser du Ps dans son niveau n=3, et prouvé une excitation efficace du nuage de Ps vers les niveaux de Rydberg n=16-17. Ces mesures, réalisées dans la chambre à vide de test d’AEgIS, à température ambiance et pour un faible champ magnétique environnant, sont la première étape vers la formation d’antihydrogène. Le prochain objectif est de répéter ces résultats dans l’enceinte du piège à 1 T, où les antihydrogènes seront formés. Pour autant, malgré l’excitation Rydberg des Ps pour accroître la section efficace de collision, la production d’antihydrogène restera faible, et la température des H bar formés sera trop élevée pour toute mesure de gravité. Pendant ma thèse, j’ai installé au CERN un autre système laser prévu pour pratiquer une spectroscopie précise des niveaux de Rydberg du Ps. Ce système excite des transitions optiques qui pourraient convenir à un refroidissement Doppler : la transition n=1 ↔ n=2. J’ai étudié la possibilité d’un tel refroidissement, en procédant à des simulations poussées pour déterminer les caractéristiques d’un système laser adapté La focalisation du nuage de Ps grâce au refroidissement des vitesses transverses devrait accroitre le recouvrement des positroniums avec les antiprotons piégés, et ainsi augmenter grandement la production d’Hbar. Le contrôle du refroidissement et de la compression du plasma d’antiprotons est aussi essentiel pour la formation des antihydrogènes. Pendant les temps de faisceaux d’antiprotons de 2014 et 2015, j’ai contribué à la caractérisation et l’optimisation des procédures pour attraper et manipuler les antiprotons, afin d’atteindre des plasmas très denses, et ce, de façon reproductible. Enfin, j’ai participé activement à l’élaboration d’autre projet à l’étude AEgIS, qui vise aussi à augmenter la production d’antihydrogène : le projet d’un refroidissement sympathique des antiprotons, en utilisant un plasma d’anions refroidis par laser. J’ai étudié la possibilité de refroidir l’ion moléculaire C₂⁻, et les résultats de simulations sont encourageants. Nous sommes actuellement en train de développer au CERN le système expérimental qui nous permettra de faire les premiers tests de refroidissement sur le C₂⁻. Si couronné de succès, ce projet ne sera pas seulement le premier résultat de refroidissement par laser d’anions, mais ouvrira aussi les portes à une production efficace d’antihydrogènes froids.
Production of antihydrogen by using the charge exchange reaction, as proposed by AEgIS (Antimatter Experiment: gravity, Interferometry, Spectroscopy), requires the formation of a dense cloud of positronium atoms excited to Rydberg states. In this work, the recent advances in AEgIS towards this result are described. Namely, the manipulation of positrons to produce bunches containing more than 108 particles and the laser excitation of positronium to Rydberg states, using n=3 as intermediate level, are presented.
The AEgIS experiment located at the Antiproton Decelerator at CERN aims to measure the gravitational fall of a cold antihydrogen pulsed beam. The precise observation of the antiatoms in the Earth gravitational field requires a controlled production and manipulation of antihydrogen. The neutral antimatter is obtained via a charge exchange reaction between a cold plasma of antiprotons from ELENA decelerator and a pulse of Rydberg positronium atoms. The current custom electronics designed to operate the 5 and 1 T Penning traps are going to be replaced by a control system based on the ARTIQ & Sinara open hardware and software ecosystem. This solution is present in many atomic, molecular and optical physics experiments and devices such as quantum computers. We report the status of the implementation as well as the main features of the new control system.