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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-20-0473

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique des particules / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

CIBLE INTENSE DE POSITRONIUM POUR LA PRODUCTION D'ANTIHYDROGENE DANS L'EXPERIENCE GBAR

RÉSUMÉ DU SUJET

Description et problématique

Cette thèse se place dans le cadre de l’expérience GBAR au CERN dont l’objectif est de mesurer l’accélération de la pesanteur sur l’antihydrogène. La spécificité de l’expérience est d’utiliser des ions antihydrogène positifs pour produire des atomes d’antihydrogène ultra-froids, permettant une mesure précise de leur chute libre. Pour produire les ions antihydrogène, il faut faire interagir des antiprotons (p) sur un nuage de positronium (Ps), état lié d’un électron et d’un positron. Deux réactions successives sont utilisées :

p +Ps* -> H* + e- et H + Ps -> H+ + e- .

La quantité d'anti-atomes et d'anti-ions produits dépend non seulement du flux d'antiprotons, mais aussi de la densité de la cible de positronium. En particulier la quantité d'anti-ions produits via la deuxième réaction est proportionnelle au carré de la densité de Ps. Le positronium est produit par implantation de positrons dans une silice nanoporeuse en quantité proportionnelle au flux de positrons. Le flux de positrons actuellement obtenu est d'environ 5 x 1E8 en 10 minutes, représentant déjà une amélioration d'un facteur 10 sur le record mondial.

L’objet de la thèse est de gagner jusqu'à un autre facteur 100 sur ce flux et mesurer la densité de la cible de positronium correspondante afin de mesurer la section efficace de la première réaction.

Groupe/labo/encadrement

L’équipe d’accueil comprend six physiciens dont le porte-parole de la collaboration, et un étudiant en thèse. GBAR est une collaboration internationale rassemblant une cinquantaine de physiciens de dix-huit laboratoires.

Travail proposé

D'importants facteurs peuvent être gagnés dans l'accumulation des positrons dans les pièges de Penning-Malmberg. La technique à mettre en œuvre prendra en compte le fait que le faisceau initial de positrons dans GBAR est pulsé, et se passera du gaz tampon utilisé dans le premier piège. La mesure de la densité de la cible de Ps pourra se faire soit en utilisant des détecteurs de gammas, soit en caractérisant cette cible avec le faisceau laser d'excitation du Ps. La mesure de la section efficace fera suite à une thèse durant laquelle le signal et les bruits de fond ont été étudiés par simulation. Le redémarrage du faisceau d'antiprotons est prévu pour mi 2021 pour des périodes d'environ six mois par an. Pendant les périodes sans antiprotons, un faisceau de protons permettra d'étudier la réaction symétrique produisant de l'hydrogène. Ce travail couvrira l'optimisation du piégeage, la compréhension des détecteurs, du laser d'excitation, ainsi que des calculs de simulation de l’expérience, estimation des efficacités, des bruits de fond, calcul des sections efficaces et comparaison avec les prédictions théoriques. Les résultats seront présentés en conférence et publiés.

Formation et compétences requises

L’étudiant doit avoir une formation en physique corpusculaire expérimentale. Il devra acquérir des compétences en programmation et en instrumentation, et saura travailler en équipe.

Compétences acquises

À l’issue de la thèse, l’étudiant aura acquis des connaissances en physique fondamentale (physique des particules et physique atomique), en instrumentation (techniques d’ultra-vide, détecteurs de traces, lasers, électronique) et en programmation. Il aura travaillé dans un milieu international très compétitif.

Collaborations/Partenariats

La réalisation de l’expérience est conduite comme un projet international. Le travail sera effectué au CERN.

Contacts

Scientifique :

P. Pérez (direction de la thèse), L. Liszkay (responsable de la production des positrons et du positronium), D. van der Werf (responsable du piégeage).

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

M2

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique des Particules
Groupe Antimatière et gravitation (GAG)
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2020
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Patrice PEREZ  

CEA
DRF/IRFU/DPhP/GAG
Centre d'étude de Saclay
91191 Gif-sur-Yvette
FRANCE

Téléphone : +33 1 69 08 35 83

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Patrice PEREZ

CEA
DRF/IRFU/DPhP/GAG
Centre d'étude de Saclay
91191 Gif-sur-Yvette
FRANCE