Prospects for studies of the free fall and gravitational quantum states of antimatter

Different experiments are ongoing to measure the effect of gravity on cold neutral antimatter atoms such as positronium, muonium and antihydrogen. Among those, the project GBAR in CERN aims to measure precisely the gravitational fall of ultracold antihydrogen atoms. In the ultracold regime, the interaction of antihydrogen atoms with a surface is governed by the phenomenon of quantum reflection which results in bouncing of antihydrogen atoms on matter surfaces. This allows the application of a filtering scheme to increase the precision of the free fall measurement. In the ultimate limit of smallest vertical velocities, antihydrogen atoms are settled in gravitational quantum states in close analogy to ultracold neutrons (UCNs). Positronium is another neutral system involving antimatter for which free fall under gravity is currently being investigated at UCL. Building on the experimental techniques under development for the free fall measurement, gravitational quantum states could also be observed in positronium. In this contribution, we review the status of the ongoing experiments and discuss the prospects of observing gravitational quantum states of antimatter and their implications.Comment: This work reviews contributions made at the GRANIT 2014 workshop on prospects for the observation of the free fall and gravitational quantum states of antimatte

Noyaux et radioactivité: une introduction à la physique des particules et à la physique nucléaire

Nées au début du XXe siècle, la physique nucléaire et la physique des particules ont bouleversé notre vision du monde et révolutionné la société par leurs innombrables applications : l'énergie nucléaire et l'utilisation des rayonnements pour la médecine et les sciences des matériaux en sont des exemples emblématiques. L'objectif de cet ouvrage est de permettre au lecteur d'appréhender les phénomènes nucléaires et la physique des hautes énergies, d'illustrer les retombées de la physique fondamentale dans la société, et d'éveiller ainsi la curiosité et l'intérêt pour ces disciplines. Le premier chapitre rappelle les notions indispensables de mécanique quantique et de relativité restreinte. Il se termine par une introduction sur l'antimatière et ses applications. Le deuxième chapitre aborde la physique des particules par la description des constituants de la matière et des lois qui gouvernent leurs interactions. L'interaction faible est l'occasion de développements sur les notions de section efficace, désintégration, symétrie discrète. Les neutrinos, aux propriétés étonnantes, font l'objet d'une attention particulière. Les concepts de base de la physique nucléaire sont ensuite abordés, puis un chapitre entier est consacré à l'énergie nucléaire. Le dernier chapitre, à travers l'étude de la nucléosynthèse, permet une ouverture sur l'astrophysique et la cosmologie, et enfin sur l'univers sombre, la matière noire et l'énergie noire

Éléments de physique statistique - 2e édition

International audienceCet ouvrage aborde le thème classique de la physique statistique par la méthode pédagogique du dénombrement des états d’énergie microscopiques. Après avoir passé en revue les divers résultats de la théorie des systèmes sans interactions, divers cas plus généraux sont abordés comme la transition gaz-liquide, le ferromagnétisme ou la théorie du proche équilibre. Ce cours s’insère parfaitement dans la suite logique de l’enseignement de la physique de premier cycle et met en œuvre les résultats essentiels de la théorie quantique. Il permet d’appréhender l’origine microscopique d’un grand nombre de propriétés macroscopiques essentielles d’un système qui caractérisent son état d’équilibre (température, énergie, pression, etc.). La prise en compte des interactions à l’échelle microscopique et l’étude du proche équilibre viennent compléter ce panorama pour préparer des cours plus avancés comme l’étude physique des solides ou celle des plasmas. Cet ouvrage est le fruit d’un cours donné par les auteurs à L’École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA ParisTech). Il contient de nombreux exercices et une synthèse des points essentiels en fin de chaque chapitre

GBAR Gravitational Behavior of Antihydrogen at Rest

The GBAR experiment aims to test the Equivalence Principle with antimatter by measuring the time of flight of ultra-cold antihydrogen atoms H in free fall. Antihydrogen atoms at ¯ ∼20 µK are provided by sympathetic cooling of antihydrogen ions $\bar{H}^+$ with laser cooled $Be^+$ ions. $\bar{H}^+$ ions are produced via two successive reactions using antiprotons and positroniums. The synthesis of $\bar{H}^+$ is obtained by the injection of a pulse of $10^7$ slow antiprotons from the AD at CERN in a dense cloud of positronium. This target of positronium is created with a positron-to-positronium converter and requires an intense source of slow positrons, a few $10^8$ per second. Such a source based on a small electron accelerator is under construction at Saclay. A few $10^{10}$ positrons are accumulated in a Penning-Malmberg trap from which they are ejected towards the $e^+/Ps$ converter to produce the target. The overall scheme of the experiment is described along with the estimated efficiency of each step

Shaping the distribution of vertical velocities of antihydrogen in GBAR

International audienceGBAR is a project aiming at measuring the free fall acceleration of gravity for antimatter, namely antihydrogen atoms ($\overline{\mathrm{H}}$). Precision of this timing experiment depends crucially on the dispersion of initial vertical velocities of the atoms as well as on the reliable control of their distribution. We propose to use a new method for shaping the distribution of vertical velocities of $\overline{\mathrm{H}}$, which improves these factors simultaneously. The method is based on quantum reflection of elastically and specularly bouncing $\overline{\mathrm{H}}$ with small initial vertical velocity on a bottom mirror disk, and absorption of atoms with large initial vertical velocities on a top rough disk. We estimate statistical and systematic uncertainties, and show that the accuracy for measuring the free fall acceleration $\overline{g}$ of $\overline{\mathrm{H}}$ could be pushed below $10^{-3}$ under realistic experimental conditions

Resultats de l'experience BEAM DUMP realisee au CERN en 1982

SIGLECNRS RP 148 (667) / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Development of a Positron Generator Dedicated to Materials Science Applications

AbstractPositron beams are getting increasing interest for materials science and for fundamental research. Recent progress on positron production using a compact electron accelerator made at CEA-IRFU for the GBAR experiment is providing new prospect for material analysis and non-destructive testing technology using positrons. CNRS-CEMHTI is defining a long term strategy to boost its positron laboratory using an upgraded version of the CEA positron generator manufactured by the POSITHÔT company. This new generator is designed to produce between 2 and 3 x 107 slow positrons per second to feed in parallel several experiments. It will be presented here as well as the future beam developments