Étude de la formation d'antihydrogène neutre et ionisé dans les collisions antiproton-positronium

Study of the antihydrogen atom and ion formation in the collisions antiproton-positronium

• Auteur / Autrice : Pauline Comini
• Direction : Paul-Antoine Hervieux, Yves Sacquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/10/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de Physique des Particules
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lamri Adoui, Pierre Vanhove, Bertrand Laforge, Yasunori Yamazaki, Jaume Carbonell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antiprotons

Positonium

Mots clés libres

Antihydrogène

Ion antihydrogène

Positronium

Antiproton

Sections efficaces

Laser nanoseconde

Antihydrogen

Positronium

Résumé

L’expérience GBAR propose de mesurer, au CERN, l’accélération de la pesanteur terrestre sur l’antimatière grâce à des atomes froids (neV) d’antihydrogène soumis à une chute libre. Ceux-ci sont obtenus en refroidissant d’abord des ions positifs d’antihydrogène, obtenus grâce à deux réactions consécutives se produisant lors de la collision d’un faisceau d’antiprotons avec un nuage dense de positronium.Le travail de thèse porte sur l'étude de ces réactions dans le but d’optimiser la production des ions d’antihydrogène. Pour cela, les sections efficaces des deux réactions ont été calculées dans le cadre d’un modèle de théorie des perturbations (Continuum Distorted Wave – Final State) pour des antiprotons ayant une énergie comprise entre 0 et 30 keV ; différents états excités du positronium ont été examinés. Ces sections efficaces ont ensuite été intégrées à une simulation de la zone d’interaction entre positronium et antiprotons afin de définir les paramètres expérimentaux optimaux pour GBAR. Les résultats suggèrent d’utiliser les états 2P, 3D ou, dans une moindre mesure, 1S du positronium, respectivement pour des antiprotons de 2, moins de 1 ou 6 keV. L’importance de compresser les impulsions temporelles d’antiprotons est soulignée ; le positronium devra être confiné dans un tube de 20 mm de long pour 1 mm de diamètre.Un laser en impulsion à 410 nm permettant d’exciter la transition à deux photons vers l’état 3D du positronium avait déjà été proposé. Son principe repose sur le doublage en fréquence d’un laser titane-saphir à 820 nm. Le dernier volet de la thèse fut dédié à la réalisation de ce laser, qui délivre des impulsions courtes (9 ns) de 4 mJ à 820 nm.

The future CERN experiment called GBAR intends to measure the gravitational acceleration of antimatter on Earth using cold (neV) antihydrogen atoms undergoing a free fall. The experiment scheme first needs to cool antihydrogen positive ions, obtained thanks to two consecutive reactions occurring when an antiproton beam collides with a dense positronium cloud.The present thesis studies these two reactions in order to optimise the production of the anti-ions. The total cross sections of both reactions have been computed in the framework of a perturbation theory model (Continuum Distorted Wave – Final State), in the range 0 to 30 keV antiproton kinetic energy; several excited states of positronium have been investigated. These cross sections have then been integrated to a simulation of the interaction zone where antiprotons collide with positronium; the aim is to find the optimal experimental parameters for GBAR. The results suggest that the 2P, 3D or, to a lower extend, 1S states of positronium should be used, respectively with 2, less than 1 or 6 keV antiprotons. The importance of using short pulses of antiprotons has been underlined; the positronium will have to be confined in a tube of 20 mm length and 1 mm diameter.In the prospect of exciting the 1S-3D two-photon transition in positronium at 410 nm, a pulsed laser system had already been designed. It consists in the frequency doubling of an 820 nm pulsed titanium-sapphire laser. The last part of the thesis has been dedicated to the realisation of this laser system, which delivers short pulses (9 ns) of 4 mJ energy at 820 nm.