Positrons accumulation in a Penning-Malmberg Trap with a pulsed beam
Piégeage de positons dans un piège de Penning Malmberg, en vue de leur accumulation avec un faisceau pulsé
Résumé
The weak equivalence principle, a fundament of Einstein general relativity, states that gravitational mass and inertial mass are equal whatever the body. This equivalence principle has never been directly tested with antimatter. The GBAR experiment intends to test it by measuring the acceleration of ultra cold antihydrogens in free fall. The production of such anti-atoms requires a pulse of about 1e10 positrons in a few tens of nanoseconds. This thesis focuses on the development of a new accumulation technique of positrons in a Penning-Malmberg trap in order to create this pulse. This new method is an improvement of the accumulation technique of Oshima et al.. This technique requires a non-neutral electron plasma to cool down positrons in the trap in order to confine them. A continuous beam delivers positrons and the trapping efficiency is about 0.4%. The new method needs a positron pulsed beam and its efficiency is estimated at 80% . A part of this thesis was performed at RIKEN (Tokyo) on the trap of Oshima et al. to study the behavior of non-neutral plasmas in this type of trap and the first accumulation method. A theoretical model was developed to simulate the positron trapping efficiency. The description and the systematic study of the new accumulation technique with a pulsed positron beam are presented. They includes notably the optimization by simulation of the electromagnetic configuration of the trap and parameters of the used non-neutral plasmas.
Le principe d'équivalence faible, pilier de la relativité générale d'Einstein, stipule que la masse gravitationnelle est égale à la masse inertielle quelque soit le corps. Ce principe d'équivalence n'a jamais été directement testé avec l'antimatière. L'expérience GBAR se propose de le tester en mesurant l'accélération d'atomes d'anti-hydrogène ultra froids en chute libre. La production de tels anti-atomes nécessite une impulsion de l'ordre de 1e10 positons en quelques dizaines de nanosecondes. Cette thèse porte sur le développement d'une nouvelle technique d'accumulation de positons dans un piège de Penning-Malmberg pour créer une telle impulsion. Cette nouvelle méthode est une amélioration de la technique d'accumulation d'Oshima et al. . Cette technique nécessite un plasma non neutre d'électrons pour refroidir les positons dans le piège afin de les confiner. Les positons sont délivrés par une source continue et l'efficacité de piégeage est de l'ordre de 0.4%. La nouvelle méthode proposée a besoin d'un faisceau pulsé de positons et son efficacité est estimée à 80%. Une partie de cette thèse a été effectuée à RIKEN (Tokyo) sur le piège d'Oshima et al. afin d'étudier le comportement de plasmas non neutres dans ce type de piège et cette méthode d'accumulation de positons. Un modèle théorique a été développé pour simuler son efficacité de confinement des positons. La description et l'étude systématique de la nouvelle méthode d'accumulation avec un faisceau pulsé de positons sont présentées, notamment l'optimisation par simulation numérique de la configuration électromagnétique du piège et des paramètres des plasmas non neutres utilisés.