L'expérience GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogne at Rest) installée au CERN qui vise à mesurer l'effet de la force gravitationnelle exercée par la matière (la terre) sur l'antimatière (un atome d'antihydrogène) en étudiant la chute libre d'un atome d'antihydrogène préparé au repos. Ce projet développe une expérience préparatoire conçue pour étudier le refroidissement sympathique d'un ion léger (Be+) par un nuage d'ions lourds (Sr+). Les espèces ioniques choisies, adressables par laser, ont un rapport de masse (9/88) comparable à celui de GBAR (1/9) où l'ion d'antimatière Hbar+ est refroidi à la limite quantique dans une paire d'ions Be+/Hbar+.
L'expérience GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogne at Rest) installée au CERN qui vise à mesurer l'effet de la force gravitationnelle exercée par la matière (la terre) sur l'antimatière (un atome d'antihydrogène) en étudiant la chute libre d'un atome d'antihydrogène préparé au repos. Ce projet développe une expérience préparatoire conçue pour étudier le refroidissement sympathique d'un ion léger (Be+) par un nuage d'ions lourds (Sr+). Les espèces ioniques choisies, adressables par laser, ont un rapport de masse (9/88) comparable à celui de GBAR (1/9) où l'ion d'antimatière Hbar+ est refroidi à la limite quantique dans une paire d'ions Be+/Hbar+.
L'expérience GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogne at Rest) installée au CERN qui vise à mesurer l'effet de la force gravitationnelle exercée par la matière (la terre) sur l'antimatière (un atome d'antihydrogène) en étudiant la chute libre d'un atome d'antihydrogène préparé au repos. Ce projet développe une expérience préparatoire conçue pour étudier le refroidissement sympathique d'un ion léger (Be+) par un nuage d'ions lourds (Sr+). Les espèces ioniques choisies, adressables par laser, ont un rapport de masse (9/88) comparable à celui de GBAR (1/9) où l'ion d'antimatière Hbar+ est refroidi à la limite quantique dans une paire d'ions Be+/Hbar+.
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.
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.
Le contexte de cette thèse est la collaboration GBAR au CERN qui vise à mesurer l’accélération de chute libre g_bar des atomes d’antihydrogène ultrafroids dans le champ gravitationnel terrestre. Améliorer la précision de cette mesure est un objectif crucial pour les tests avancés du principe d’équivalence impliquant l’antimatière, qui pourrait améliorer notre compréhension de l’asymétrie observée entre matière et antimatière dans notre univers. Dans cette thèse, nous modélisons l’évolution de ces atomes d’antihydrogène depuis le piège où ils sont produits jusqu’à leur détection, en prenant en compte leur comportement quantique. Nos simulations visent à trouver les paramètres optimaux pour la chambre de chute libre afin d’obtenir la meilleure précision possible. Le recul lors du photodétachement du positron en excès de l’ion antihydrogène est pris en compte dans l’évaluation de la distribution de vitesse des atomes d’antihydrogène, et le phénomène de réflexion quantique des antiatomes sur les surfaces matérielles est aussi étudié. Combinée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité peut piéger les particules dans des états quantiques gravitationnels qui produisent des figures d’interférence qui peuvent être utilisées pour une mesure quantique de la valeur de g_bar. Une analyse statistique des mesures classiques et quantiques est réalisée en utilisant des simulations numériques de Monte-Carlo comparées à des méthodes analytiques. La méthode classique conduit à une précision meilleure que 10^-2, alors que la méthode quantique avec les états gravitationnels quantiques conduit à une précision d’environ 10^-5. Ce travail propose des méthodes statistiques nouvelles qui peuvent être utilisées dans d’autres applications que l’expérience GBAR.
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.
Analyse statistique des mesures classiques et quantiques de l’accélération de chute libre de l’antihydrogène pour l’expérience GBAR Le contexte de cette thèse est la collaboration GBAR au CERN qui vise à mesurer l’accélération de chute libre g_bar des atomes d’antihydrogène ultrafroids dans le champ gravitationnel terrestre. Améliorer la précision de cette mesure est un objectif crucial pour les tests avancés du principe d’équivalence impliquant l’antimatière, qui pourrait améliorer notre compréhension de l’asymétrie observée entre matière et antimatière dans notre univers. Dans cette thèse, nous modélisons l’évolution de ces atomes d’antihydrogène depuis le piège où ils sont produits jusqu’à leur détection, en prenant en compte leur comportement quantique. Nos simulations visent à trouver les paramètres optimaux pour la chambre de chute libre afin d’obtenir la meilleure précision possible. Le recul lors du photodétachement du positron en excès de l’ion antihydrogène est pris en compte dans l’évaluation de la distribution de vitesse des atomes d’antihydrogène, et le phénomène de réflexion quantique des antiatomes sur les surfaces matérielles est aussi étudié. Combinée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité peut piéger les particules dans des états quantiques gravitationnels qui produisent des figures d’interférence qui peuvent être utilisées pour une mesure quantique de la valeur de g_bar. Une analyse statistique des mesures classiques et quantiques est réalisée en utilisant des simulations numériques de Monte-Carlo comparées à des méthodes analytiques. La méthode classique conduit à une précision meilleure que 10^-2, alors que la méthode quantique avec les états gravitationnels quantiques conduit à une précision d’environ 10^-5. Ce travail propose des méthodes statistiques nouvelles qui peuvent être utilisées dans d’autres applications que l’expérience GBAR.