L’expérience GBAR vise à mesurer la chute libre d’atomes d’antihydrogène ultra-froids (neV). Cela implique de produire des ions d’antihydrogène, obtenus à l’issue de deux réactions d’échange de charge faisant intervenir des antiprotons et des atomes de positronium. Le but de ce travail est d’étudier la possibilité d’augmenter les taux de production d’atomes et d’ions antihydrogène produits, en assistant les deux réactions par laser. Les sections efficaces sont obtenues aux énergies d’antiproton de GBAR (1 - 10keV), en utilisant une approche semi-perturbative proposée par Byron et Joachain. Celle-ci permet de décrire simultanément l’interaction électron-atome (Coulomb Born Approximation ou Continuum Distorted Waves - Final State), l’interaction électron-laser (états de Volkov),et les interactions laser-atomes (premier ordre de la théorie des perturbations dépendantes du temps). L’excitation depuis l’état 1s du positronium par le processus de transition virtuel à un photon est étudiée, en considérant des lasers dont les longueurs d’onde sont proches de 243 nm (raie Lyman-α). Une adaptation de ces lasers est ensuite proposée afin d’exciter les états 3s et 3d (Paschen-β). Les décalages Doppler résultants de la distribution de vitesse du nuage de positronium sont également pris en compte, aux énergies de confinement de 25 meV et 48 meV. Finalement, le nombre d’antiatomes produits est estimé. Comparativement à la situation où les collisions ne sont pas assistées par un laser, les pertes induites par les processus de photo-ionisation et de photo-détachement sont évaluées.
L’expérience GBAR vise à mesurer la chute libre d’atomes d’antihydrogène ultra-froids (neV). Cela implique de produire des ions d’antihydrogène, obtenus à l’issue de deux réactions d’échange de charge faisant intervenir des antiprotons et des atomes de positronium. Le but de ce travail est d’étudier la possibilité d’augmenter les taux de production d’atomes et d’ions antihydrogène produits, en assistant les deux réactions par laser. Les sections efficaces sont obtenues aux énergies d’antiproton de GBAR (1 - 10keV), en utilisant une approche semi-perturbative proposée par Byron et Joachain. Celle-ci permet de décrire simultanément l’interaction électron-atome (Coulomb Born Approximation ou Continuum Distorted Waves - Final State), l’interaction électron-laser (états de Volkov),et les interactions laser-atomes (premier ordre de la théorie des perturbations dépendantes du temps). L’excitation depuis l’état 1s du positronium par le processus de transition virtuel à un photon est étudiée, en considérant des lasers dont les longueurs d’onde sont proches de 243 nm (raie Lyman-α). Une adaptation de ces lasers est ensuite proposée afin d’exciter les états 3s et 3d (Paschen-β). Les décalages Doppler résultants de la distribution de vitesse du nuage de positronium sont également pris en compte, aux énergies de confinement de 25 meV et 48 meV. Finalement, le nombre d’antiatomes produits est estimé. Comparativement à la situation où les collisions ne sont pas assistées par un laser, les pertes induites par les processus de photo-ionisation et de photo-détachement sont évaluées.
L’expérience GBAR vise à mesurer la chute libre d’atomes d’antihydrogène ultra-froids (neV). Cela implique de produire des ions d’antihydrogène, obtenus à l’issue de deux réactions d’échange de charge faisant intervenir des antiprotons et des atomes de positronium. Le but de ce travail est d’étudier la possibilité d’augmenter les taux de production d’atomes et d’ions antihydrogène produits, en assistant les deux réactions par laser. Les sections efficaces sont obtenues aux énergies d’antiproton de GBAR (1 - 10keV), en utilisant une approche semi-perturbative proposée par Byron et Joachain. Celle-ci permet de décrire simultanément l’interaction électron-atome (Coulomb Born Approximation ou Continuum Distorted Waves - Final State), l’interaction électron-laser (états de Volkov),et les interactions laser-atomes (premier ordre de la théorie des perturbations dépendantes du temps). L’excitation depuis l’état 1s du positronium par le processus de transition virtuel à un photon est étudiée, en considérant des lasers dont les longueurs d’onde sont proches de 243 nm (raie Lyman-α). Une adaptation de ces lasers est ensuite proposée afin d’exciter les états 3s et 3d (Paschen-β). Les décalages Doppler résultants de la distribution de vitesse du nuage de positronium sont également pris en compte, aux énergies de confinement de 25 meV et 48 meV. Finalement, le nombre d’antiatomes produits est estimé. Comparativement à la situation où les collisions ne sont pas assistées par un laser, les pertes induites par les processus de photo-ionisation et de photo-détachement sont évaluées.
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.
Ce travail concerne les mecanismes de formation, de destruction et de relaxation interne des ions moleculaires formes au cours de collisions inelastiques ultra-froides. Ces collisions sont etudiees experimentalement dans des pieges hybrides melant un piege d'atomes ultra-froids et un piege d’ions refroidis par laser. Nous avons effectue une analyse theorique systematique des collisions binaires, assistees par la lumiere, impliquant plusieurs sortes de paires atome/ion. Leur interaction mutuelle est decrite par des calculs de chimie quantique bases sur l'utilisation de potentiels de cœur effectifs tres precis. La formation d’ions moleculaires par 'association radiative est predite efficace pour tous les systemes etudies, avec une section efficace deux a dix fois plus grande que le processus concurrent, le transfert de charge radiatif. Les constantes de vitesse partielles et totales sont aussi calculees et comparees aux valeurs experimentales disponibles. Des resonances de forme sont attendues avec une largeur tres faible, et pourraient etre observees avec la meilleure resolution experimentale atteinte aujourd'hui. Les distributions vibrationnelles ont aussi ete calculees. Elles montrent que les ions moleculaires formes ne sont pas crees dans leur etat vibrationnel fondamental. Nous avons ensuite montre que ces ions moleculaires pouvaient etre photodissocies par les lasers utilises dans l’experience pour le refroidissement et le piegeage. Par ailleurs nous avons etudie la relaxation vibrationnelle des ions formes. Dans les echelles de temps des differentes experiences, nous avons montre que celle-ci ne resulte pas d'une relaxation radiative associee au moment dipolaire permanent de l'ion, mais plutot a des collisions avec les atomes ultra-froids environnants. Nous avons ainsi etudie cette relaxation interne pour les ions H₂⁺ (resp. Rb₂⁺) lors d'une collision avec des atomes ultra-froids de He (resp. Rb). Ces deux cas sont importants pour des experiences en cours. Nous avons decrit le calcul du potentiel d'interaction necessaire pour l'obtention de la matrice de couplage qui intervient dans la resolution desequations couplees multi-voies. En particulier il a ete montre, dans le cas He-H₂⁺, que les interactions spin-rotation, du fait de la structure doublet de l'ion, n'ont qu'une faible influence sur la somme des sections efficaces d'etat a etat (avec ou sans effet vibrationnel). Ces calculs peuvent etre donc simplifies en traitant l'ion a un electron actif comme etant dans un etat de spin nul. Dans le cas Rb-Rb₂⁺, l'etude de la relaxation vibrationnelle de l'ion Rb₂⁺ suite a des collisions froides avec des atomes de Rb se heurte a des difficultes supplementaires: (i) l'echange des atomes identiques conduisant a des collisions reactives qui induisent des pertes dans le piege. (ii) la forte densite d'etats internes due a la lourde masse du systeme. (iii) les interactions inter-voies encore presentes a tres longues distances du fait cette forte densite. Neanmoins, nos calculs montrent que la forte anisotropie observee dans les surfaces d'energie potentielle conduit a la relaxation efficace de l'ion Rb₂⁺ par collision avec des atomes de Rb. Cette tendance pourrait etre tres generale pour les ions moleculaires triatomiques presentant une forte anisotropie a courte distances et qui sont couramment utilises dans les pieges hybrides.
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.
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.