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EPJ Web of Conferences

Imaging a positronium cloud in a 1 Tesla

A. Camper, Stefano Aghion, C. Amsler, M. Antonello, Alexander Belov, G. Bonomi, Roberto Sennen Brusa, M. Caccia, R. Caravita, F. Castelli, G. Cerchiari, D. Comparat, Giovanni Consolati, Andrea Demetrio, L. Di Noto, M. Doser, Craig Evans, Mattia Fanì, R. Ferragut, J. Fesel, A. Fontana, S. Gerber, Marco G. Giammarchi, A. Gligorova, F. Guatieri, Philip Hackstock, Stefan Haider, Alexander Hinterberger, H. Holmestad, A. Kellerbauer, Olga Khalidova, D. Krasnický, Vittorio Lagomarsino, P. Lansonneur, P. Lebrun, C. Malbrunot, S. Mariazzi, Johann Marton, Viktor A. Matveev, Simon Müller, Giancarlo Nebbia, P. Nédélec, Markus K. Oberthaler, Davide Pagano, Luca Penasa, V. Petráček, F. Prelz, M. Prevedelli, Benjamin Rienaecker, Jacques Robert, Ole Myren Rohne, Alberto Rotondi, H. Sandaker, R. Santoro, L. Smestad, Fiodor Sorrentino, G. Testera, Ingmari C. Tietje, Milena Vujanovic, E. Widmann, P. Yzombard, Christian Zimmer, Johann Zmeskal, Nicola Zurlo

Published Jan 1, 2019• 6 citations
Publisher

Abstract

We report on recent developments in positronium work in the frame of antihydrogen production through charge exchange in the AEgIS collaboration [1]. In particular, we present a new technique based on spatially imaging a cloud of positronium by collecting the positrons emitted by photoionization. This background free diagnostic proves to be highly efficient and opens up new opportunities for spectroscopy on antimatter, control and laser manipulation of positronium clouds as well as Doppler velocimetry.

DOI
10.1051/epjconf/201919800004

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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.

Defect and diffusion forum/Diffusion and defect data, solid state data. Part A, Defect and diffusion forum•Mar 24, 2017•1 citation

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We characterized the pulsed Rydberg-positronium production inside the Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy ($\mathrm{AE}\overline{\text{g}}\mathrm{IS}$) apparatus in view of antihydrogen formation by means of a charge exchange reaction between cold antiprotons and slow Rydberg-positronium atoms. Velocity measurements on the positronium along two axes in a cryogenic environment ($\ensuremath{\approx}10\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{K}$) and in $1\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{T}$ magnetic field were performed. The velocimetry was done by microchannel-plate (MCP) imaging of a photoionized positronium previously excited to the $n=3$ state. One direction of velocity was measured via Doppler scan of this $n=3$ line, another direction perpendicular to the former by delaying the exciting laser pulses in a time-of-flight measurement. Self-ionization in the magnetic field due to the motional Stark effect was also quantified by using the same MCP-imaging technique for Rydberg positronium with an effective principal quantum number ${n}_{\mathrm{eff}}$ ranging between 14 and 22. We conclude with a discussion about the optimization of our experimental parameters for creating Rydberg positronium in preparation for an efficient pulsed production of antihydrogen.

arXiv:1911.04342•Physical Review A•Jul 2, 2020•22 citations

Experimental progress in positronium laser physics

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The field of experimental positronium physics has advanced significantly in the last few decades, with new areas of research driven by the development of techniques for trapping and manipulating positrons using Surko-type buffer gas traps. Large numbers of positrons (typically ≥106) accumulated in such a device may be ejected all at once, so as to generate an intense pulse. Standard bunching techniques can produce pulses with ns (mm) temporal (spatial) beam profiles. These pulses can be converted into a dilute Ps gas in vacuum with densities on the order of 107 cm−3 which can be probed by standard ns pulsed laser systems. This allows for the efficient production of excited Ps states, including long-lived Rydberg states, which in turn facilitates numerous experimental programs, such as precision optical and microwave spectroscopy of Ps, the application of Stark deceleration methods to guide, decelerate and focus Rydberg Ps beams, and studies of the interactions of such beams with other atomic and molecular species. These methods are also applicable to antihydrogen production and spectroscopic studies of energy levels and resonances in positronium ions and molecules. A summary of recent progress in this area will be given, with the objective of providing an overview of the field as it currently exists, and a brief discussion of some future directions.

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Laser-controlled production of Rydberg positronium via charge exchange collisions

Andrew J. Speck, C. H. Storry, Eric A. Hessels +1 more

Lasers are used to choose the binding energies of highly excited positronium atoms (Ps*) created via charge exchange collisions. The lasers directly excite cesium (Cs) atoms to highly excited states (Cs*). These large Cs*atoms have a large cross section for resonant charge exchange collisions with trapped positrons. Highly excited Ps* is formed with a binding energy that is determined by the initial laser excitation. These Ps* should have a large cross section for resonant charge exchange collisions with trapped antiprotons—suggesting a possible new way to produce cold antihydrogen.

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Laser cooling and manipulation of antimatter in the AEgIS experiment

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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.

•Nov 24, 2016•2 citations

Laser cooling and manipulation of antimatter in the AEgIS experiment

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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.

•Nov 24, 2016•0 citations
We report on recent developments in positronium work in the frame of antihydrogen production through charge exchange in the AEgIS collaboration [1]. In particular, we present a new technique based on spatially imaging a cloud of positronium by collecting the positrons emitted by photoionization. This background free diagnostic proves to be highly efficient and opens up new opportunities for spectroscopy on antimatter, control and laser manipulation of positronium clouds as well as Doppler velocimetry.
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We characterized the pulsed Rydberg-positronium production inside the Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEg‾IS\mathrm{AE}\overline{\text{g}}\mathrm{IS}AEg​IS) apparatus in view of antihydrogen formation by means of a charge exchange reaction between cold antiprotons and slow Rydberg-positronium atoms. Velocity measurements on the positronium along two axes in a cryogenic environment ($\ensuremath{\approx}10\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{K}$) and in 1T1\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{T}1T magnetic field were performed. The velocimetry was done by microchannel-plate (MCP) imaging of a photoionized positronium previously excited to the n=3n=3n=3 state. One direction of velocity was measured via Doppler scan of this n=3n=3n=3 line, another direction perpendicular to the former by delaying the exciting laser pulses in a time-of-flight measurement. Self-ionization in the magnetic field due to the motional Stark effect was also quantified by using the same MCP-imaging technique for Rydberg positronium with an effective principal quantum number neff{n}_{\mathrm{eff}}neff​ ranging between 14 and 22. We conclude with a discussion about the optimization of our experimental parameters for creating Rydberg positronium in preparation for an efficient pulsed production of antihydrogen.
The field of experimental positronium physics has advanced significantly in the last few decades, with new areas of research driven by the development of techniques for trapping and manipulating positrons using Surko-type buffer gas traps. Large numbers of positrons (typically ≥106) accumulated in such a device may be ejected all at once, so as to generate an intense pulse. Standard bunching techniques can produce pulses with ns (mm) temporal (spatial) beam profiles. These pulses can be converted into a dilute Ps gas in vacuum with densities on the order of 107 cm−3 which can be probed by standard ns pulsed laser systems. This allows for the efficient production of excited Ps states, including long-lived Rydberg states, which in turn facilitates numerous experimental programs, such as precision optical and microwave spectroscopy of Ps, the application of Stark deceleration methods to guide, decelerate and focus Rydberg Ps beams, and studies of the interactions of such beams with other atomic and molecular species. These methods are also applicable to antihydrogen production and spectroscopic studies of energy levels and resonances in positronium ions and molecules. A summary of recent progress in this area will be given, with the objective of providing an overview of the field as it currently exists, and a brief discussion of some future directions.
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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.