Un piège à positons pour l’anti-hydrogène – POSITRAP

POSITRAP se situe dans le cadre d’une expérience visant à mesurer l’accélération de la pesanteur terrestre sur l’antimatière, ce qui n’a jamais été réalisé. Le principe d’équivalence serait remis en cause si l’antimatière antigravitait. Le principe de l’expérience consiste à produire l’ion Hbar+, constitué d’un antiproton et deux positons (e+) en faisant interagir des antiprotons avec du positronium (Ps), puis des atomes neutres Hbar par photo-détachement pour mesurer leur temps de vol et donc leur accélération. La production de Hbar repose sur une succession d’étapes : stockage des e+ et des antiprotons, création d’un nuage dense de Ps, interaction Ps antiproton. POSITRAP concerne le stockage des e+ et la création du Ps.
Un projet ANR a permis au CEA/IRFU (Partenaire 1) de réaliser une source de e+ de haute intensité. Cette source consiste en un dispositif de tri magnétique placé en aval d’ un accélérateur linéaire de e- de 5.5 MeV financé par le Conseil Général de l’Essonne et le CEA. L’ensemble produit des e+ d’une énergie moyenne de 1 MeV, par interaction des e- sur une cible, et les sépare des e- n’ayant pas interagi. Les premiers e+ « rapides » n’ont été observés qu’en 2009, suite à une livraison de l’accélérateur avec plus d’un an de retard. Le flux sera stabilisé et augmenté en 2010 en améliorant la régulation du linac. Le réseau P2I finance actuellement la construction de la ligne de faisceau de e+ « lents » (quelques eV) obtenus après modération des e+ « rapides ». Cette ligne devrait être opérationnelle courant 2010.
POSITRAP vise à accumuler dans un piège de Penning-Malmberg les e+ provenant de cet ensemble et à les déverser en quelques dizaines de nanosecondes sur un matériau qui les convertit en Ps. L'accumulation permet d’obtenir la densité de Ps pour un taux de production de Hbar+ adéquat. Le temps de vie du Ps dans le vide de 142 ns exige une éjection rapide.
L’aimant de 5 Teslas, équipé des électrodes formant le piège et de ses cryocoolers (valeur 520 k€), de RIKEN (Partenaire Associé 5), sera réinstallé sur le faisceau du CEA/IRFU.
La technique de piégeage standard utilise deux pièges. L’un contient un gaz pour refroidir le plasma de e+ afin de remplir efficacement le deuxième piège accumulateur. Cette technique sera simplifiée en utilisant un plasma de e-, formé dans le piège d’accumulation des e+, pour ralentir les e+. Le système reste en ultravide et ne requiert pas de pompage du gaz de refroidissement.
Le défi est d’adapter ce piège à la fréquence du linac afin d’accumuler 10^10 e+ en 20 minutes. L’effort principal sera d'optimiser l’efficacité de piégeage et de refroidissement des e+ à l'aide de différentes techniques (« rotating wall », onde progressive, amortissement électronique). La capacité du piège sera augmentée d’un facteur 10 en améliorant l’isolation des électrodes.
Le plasma de e+ permettra d’étudier la formation du nuage de Ps pour l’expérience de gravitation. Une expérience préliminaire a montré que le matériau convertissant e+ en Ps, développé par le Partenaire 1, résiste à un flux de 10^7 e+ déversés en 10 ns tout en conservant son efficacité. POSITRAP permettra d’augmenter ce flux pour atteindre les besoins de l’expérience de gravitation : 10^10 à 10^11 e+ déversés en moins de 100 ns. La mise en évidence d’une densité de Ps pouvant atteindre 10^12 cm^-2 est le but ultime de POSITRAP.
Ces travaux expérimentaux seront accompagnés d’une étude théorique sur les interactions Ps-Ps, car la haute densité attendue pourrait provoquer un changement d’état de spin. Cette étude abordera les conditions de création d’un condensat de Bose-Einstein de Ps, car la température critique du changement de phase est élevée, et donc accessible.