The Gbar project, or how does antimatter fall? Paul Indelicato For - PowerPoint PPT Presentation

The Gbar project, or how does antimatter fall? Paul Indelicato For the GBAR collaboration vendredi 14 juin 2013

LEAP ¡2013, ¡Uppsala 2 vendredi 14 juin 2013

GBAR Gravitational Behavior of Antihydrogen at Rest LEAP ¡2013, ¡Uppsala 2 vendredi 14 juin 2013

IFRAF LEAP ¡2013, ¡Uppsala 3 vendredi 14 juin 2013

The GBAR collaboration Country Institute Members ¡ ¡ CSNSM G. ¡Chardin, ¡P. ¡Dupré, ¡P. ¡Grandemange, ¡D. ¡Lunney, ¡V. ¡Manea FRANCE 14 institutes 48 physicisists ILL FRANCE V. ¡Nesvizhevsky FRANCE IPCMS P-­‑A. ¡Hervieux, ¡G. ¡Manfredi Variety of physics fields P. ¡Comini, ¡P. ¡Debu, ¡L. ¡Liszkay, ¡B. ¡Mansoulié, ¡ P. ¡Pérez , ¡ ¡ IRFU FRANCE Y. ¡Sacquin, ¡B. ¡Vallage F. ¡Biraben, ¡P. ¡Cladé, ¡A. ¡Douillet, ¡A. ¡Gérardin, ¡S. ¡GuellaL, ¡L. ¡Hilico, ¡P. ¡ Particle LKB Indelicato, ¡A. ¡Lambrecht, ¡R. ¡Guérout, ¡J-­‑P. ¡Karr, ¡F. ¡Nez, ¡ FRANCE S. ¡Reynaud, ¡V-­‑Q. ¡Tran Accelerator JGU GERMANY J. ¡Walz, ¡F. ¡Schmidt-­‑Kaler Plasmas and ions trapping Cold atoms JAPAN RIKEN A. ¡Mohri, ¡Y. ¡Yamazaki Positronium U. Tokyo N. ¡Kuroda, ¡H. ¡Torii JAPAN Material science TUS JAPAN Y. ¡Nagashima Cold neutrons POLAND NCBJ S. ¡Wronka Theory Lebedev RUSSIA A. ¡Voronin SWEDEN Uppsala P. ¡Froelich ETHZ A. ¡Badertscher, ¡P. ¡Crivelli, ¡A. ¡Curioni, ¡A. ¡Marchionni, ¡B. ¡Rossi, ¡A. ¡Rubbia SWITZERLAND Swansea UNITED KINGDOM M. ¡Charlton, ¡S. ¡Eriksson, ¡N. ¡Madsen, ¡D.P. ¡van ¡der ¡Werf LEAP ¡2013, ¡Uppsala 4 vendredi 14 juin 2013

Gbar : use H + to get H atoms cooling 10 µK detector • Produce ion H + Laser (t 0 ) • Capture ion H + H + • Sympathetic cooling 10 µK gravity h = 1/2 g (t 1 -t 0 ) 2 • Photodetachment of e + • Time of flight h = 20 cm ∆ t = 202 ms detector (t 1 ) Error dominated by temperature of H + J.Walz & T . Hänsch, Relative Precision on g : Δ g/g H + ¡in ¡ion ¡trap 0.001 5 ¡10 5 10 4 0.006 10 3 0.02 LEAP ¡2013, ¡Uppsala 5 vendredi 14 juin 2013

How to measure g ? A Proposal to Measure Antimatter Gravity Using Ultracold Antihydrogen Atoms . J. Walz et T.W. Hänsch. General Relativity and Gravitation. 36 561-570, (2004). LEAP ¡2013, ¡Uppsala 6 vendredi 14 juin 2013

How to measure g ? A Proposal to Measure Antimatter Gravity Using Ultracold Antihydrogen Atoms . J. Walz et T.W. Hänsch. General Relativity and Gravitation. 36 561-570, (2004). LEAP ¡2013, ¡Uppsala 7 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme LEAP ¡2013, ¡Uppsala 8 vendredi 14 juin 2013

GBAR Schedule • 05/2012: approval by CERN Research Board • 12/2012: start e+ trapping tests • 06/2013: deceleration technique demonstration with protons • 06/2014: Ps production and excitation • 06/2014: detector tests with cosmic rays • 12/2014: sympathetic cooling demonstration with matter (H 2 + ) • 06/2015: Installation at CERN of the GBAR LINAC • 03/2016: Commissioning of ELENA with p + and H - • 06/2017: AD/ELENA commissioning with p and later… first measurements LEAP ¡2013, ¡Uppsala 9 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme LEAP ¡2013, ¡Uppsala 10 vendredi 14 juin 2013

High intensity slow positrons source ~ 5 x 10 11 fast e + /s e + /e - selection ~ 2.8 x 10 8 slow e + /s at 10 MeV e + e - ~ MeV e + “ slow ” : 3 eV 10 to 20 target LINAC MeV Moderator e - and γ 300 Hz / 2 μ s ~ MeV 0.2 mA Tungsten near primary target moderation: aim ~ 5 x10 -4 Tungsten target Solid neon after e + /e - selector ε e+/e- prod ~ 5 10 -4 moderation ~ 10 -3 LEAP ¡2013, ¡Uppsala 11 vendredi 14 juin 2013

Prototype at Saclay Concrete Slow e + shielding X detection rays RIKEN Penning trap for e + e + /e - e - linac magnetic W target 4.3 MeV separator Present slow e + rate : ~ 3 10 6 s -1 Extrap. to 10 MeV : ~ 5 10 7 s -1 Target value : ~ 3 10 8 s -1 (higher energy, frequency, moderation) LEAP ¡2013, ¡Uppsala 12 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme LEAP ¡2013, ¡Uppsala 13 vendredi 14 juin 2013

RIKEN Multi Ring Trap • Trap now at Saclay: we start accumulation with pulsed e + Simulation: ε trapping ≈ 50% expected The MRT at Saclay few 10 10 e + needed LEAP ¡2013, ¡Uppsala 14 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme Pierre Dupré talk 11:35 LEAP ¡2013, ¡Uppsala 15 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme Pauline Comini talk 11:10 LEAP ¡2013, ¡Uppsala 16 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme LEAP ¡2013, ¡Uppsala 17 vendredi 14 juin 2013

H + sympathetic cooling First step • Capture into a Paul trap and cooling to the 1 mK range (Doppler cooling) • Optional step: resistive cooling to 4K Second step • Transfer to a 2 ion trap and Raman side-band cooling (~10 µK) LEAP ¡2013, ¡Uppsala 18 vendredi 14 juin 2013

Ion choice LEAP ¡2013, ¡Uppsala 19 vendredi 14 juin 2013

H + sympathetic cooling H + cooling • Segmented RF Paul Trap, well depth ~1 eV i r f u i r f u i r f u i r f u • Sympathetic cooling using Be + ions ! Laser cooled Be + ions ! Coulomb interaction of H + and Be + s s s s a a a a c c c c l l l l a a a a y y y y Cooling laser • Be + Doppler cooling ! Temperature ~1 mK • Be + sub-Doppler cooling H + capture Be + trap ! Temperature ~20 µK trap ~10 NIST group M. D. Barrett, …, D. Wineland, PRA 98 , 042302 (2003) Sympathetic cooling of 9 Be + and 24 Mg + for quantum logic 27/04/2011 ! Pascal Debu - CEA/DSM/IRFU ! 20 ! LEAP ¡2013, ¡Uppsala 20 vendredi 14 juin 2013

Sympathetic cooling by Be + ions B. Roth et al., Phys. Rev. A 74 , 040501(R) (2006) Better confinement of the ions Non destructive measurement Suppression of the second order Doppler effect 2 P 3/2 F=0, 1, 2, 3 197 GHz Sum of fiber lasers and frequency doubling 2 P 1/2 F=1, 2 1560.4 nm + 1046 nm → 626.26 nm 626.26 x 2 → 313.13 nm, a few mW 313.13 nm NIST ~ 500 mW F=1 2 S 1/2 1.25GHz LEAP ¡2013, ¡Uppsala 21 vendredi 14 juin 2013

Be + cooling • Why Be + ? • Be + has a m/q of 9, Mg + of 24... • H 2+ has a m/q of 2, HCI: Ar 13+ 40/13~3, H-like: A/(Z-1)~2 • For a Paul trap, one needs m/q in a range of 10 maximum 2 P 3/2 F=0, 1, 2, 3 197 GHz 2 P 1/2 F=1, 2 Laser cooling 313.13 nm and repumping 2 S 1/2 F=1 1.25GHz Temperature : Doppler limit ~ 0.5 mK LEAP ¡2013, ¡Uppsala vendredi 14 juin 2013

Be + sub Doppler cooling • M. D. Barrett, …, D. Wineland, PRA 98 , 042302 (2003) Sympathetic cooling of 9 Be + and 24 Mg + for quantum logic • Serge Haroche Lectures, Collège de France 2006 Problem: photoionisation of H + by the • JOSA B 20 , vol 5, special issue cooling UV laser n=4 Stimulated & Spontaneous n=3 Raman transitions n=2 n=1 n=0 Cycle sequence: F = 2, n ! F = 1, n-1 ! F = 2, n-1 313.3 nm … n=4 ! F = 2, n=0 n=3 n=2 n=1 n=0 n=4 Results n=3 n=2 n = 0.03(2) T ~ 4.5 or 9 µ K for Be + ions n=1 n=0 p 0 = 0.97(2) v ~ 10 cm/s ? LEAP ¡2013, ¡Uppsala vendredi 14 juin 2013

Sub Doppler cooling requirements • Steep trapping potentiel to resolve macromotion sidebands ω x , ω y , ω z in the > MHz range • Linear ion chain N ions 3 N phonon modes 3 N eigen frequencies Raman side-band cooling for each mode ! The complexity increases with N Only a few ions in the chain ! LEAP ¡2013, ¡Uppsala vendredi 14 juin 2013

Main issues H + production Creation time spread ? Sympathetic Segmented RF Paul Trap cooling by laser Position spread ? Well depth ~ 1 eV cooled Be + ions Velocity spread ? Energy spread ? Trap environment H + Be + room temperature capture trap trap no cryogenics Cold matter : ion cloud only ! LEAP ¡2013, ¡Uppsala vendredi 14 juin 2013

How many ions? • Very large ion clouds required (10 6 to 10 7 ions) • Time for cooling must be investigated (simulations) Resistive cooling to 4K first? • Test experiment with H 2+ or p + LEAP ¡2013, ¡Uppsala 26 vendredi 14 juin 2013

GBAR Synoptic Scheme LEAP ¡2013, ¡Uppsala 27 vendredi 14 juin 2013

Photo-detachment H + binding energy 0.76 eV => p γ ~ 0.76 eV/c Recoil due to absorption: v recoil = p γ / m H = 0.2 m/s => 4 cm for 0.2 s fall Recoil due to e + emission: γ very close to threshold ~ 0.3 m/s for E c = 1 μ eV E c = E γ – 0.76 => H free fall detection -ejected e + direction => sign(v z ) -arrival position x,y (mm) => v x , v y -TOF (140 ms) => cross-check of initial temperature LEAP ¡2013, ¡Uppsala 28 vendredi 14 juin 2013

Free fall measurement H + π - Atoms trajectories π + after photodetachement of the excess positron h = 1/2 g (t 1 -t 0 ) 2 +v z0 (t 1 -t 0 ) Aim : measure g to 1 % p recision (first phase) γ γ ~ 1500 events needed LEAP ¡2013, ¡Uppsala 29 vendredi 14 juin 2013

Free fall measurement H + π - π + Detection Requirement TOF precision 150 µs Annihil. vertex precision 2 mm Background rejection event topology γ γ LEAP ¡2013, ¡Uppsala 30 vendredi 14 juin 2013