(presentation2)ops.in2p3.fr/conferences/clermont/daniel_sillou.pdf · title (presentation2) author...

27/10/02Clermont-Ferrand - D. Sillou 1

La durée de vie de l’ortho-PositroniumLa durée de vie de l’ortho-Positronium


QEDQED“La” théorie physique

∆∆∆∆ΓΓΓΓ/ΓΓΓΓ = 2 10-4orthoPositronium dur ée devie

∆∆∆∆E/E = 7 10-6Lamb shift

∆∆∆∆E/E = 10-6Structure hyperfineH, muonium positronium

∆∆∆∆a = 4. 10-10Moment anormal µ-

∆∆∆∆a =10-9Moment anormal e -


QED et le positroniumQED et le positronium

Et aussi:g-2 du muon 2.7 σ (E821 Brookhaven 8/02/2001)

•La plupart des résultats expérimentaux sont donc enexcellent accord avec QED.• 2 problèmes liés au positronium doivent être clarifiés:

• Durée de vie o_Ps dans le vide (5.5 σ de th.)• Hyperfine splitting des niveaux (3.5 σ from th.)


Historique IHistorique I

symbole: PsJ. Mc GerveyDe Benedetti

1959

Preuve exp érimentaleÉtat li é e+ e-

Deutsch1951

Preuve th. État li é Ps etde Ps-

Wheeler1946Nom: positroniumRuark1945e- e+Mohorovicic1934


Historique IIHistorique II

Existence de Ps-KMills1981

MgO mod érateur .==> Faisceau dee+ lent

Canter & al.Cherry

19721958

Découverte de laformation de Psdans des ciblespulvé rulentes

Paulin &Ambrosino

1969


Positronium: état lié [e+ e-]Positronium: état lié [e+ e-]

¥Masse r� duite MH¯me M Ps ¯me/2

¥Energie de liaison: E=e4MZ2/2h2n2

¥ ==> EPs = EH/2 = 6.8eV (n=1)

•Rayon Bohr: r B =h2n2/e2MZ2

•rPs = 2 rB = 10-8 cm = 1Å


Parapositronium p-Ps

n=1,1S0

Parapositronium p-Ps

n=1,1S0

C = (-1)L+S = (-1)n

n = 2, 4, 6É .γγγγ

N(4)/N(2) ~ 10-6

Dur�e de vie: 0.125 ns


Orthopositronium o-Ps

n=1, 3S1

Orthopositronium o-Ps

n=1, 3S1

C = (-1)L+S = (-1)n

•n = 3, 5É . γγγγ

•N(5)/N(3) ~ 10-6

•Dur�e de vie ~ 142 ns


Annihilation- durée de vieAnnihilation- durée de vie

€

∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

Γ∆

∆

E t r c t mec cm t r c

rB mee

cm

Taux d annihilation ent

rrB

. ; . ; /

.

' :

≈ = ≈ = − ≈ =

≈ = −

≈ ≈

h h

h

4 10 11

22

0 5 10 8

2 13

2γ α 11

10 101

3 13

3 1

1071

−−

≈ ≈ −

' : .

s

Taux d annihilation ent

rrB

fph s

sγ αΓ∆

∆


Propriétés du positroniumPropriétés du positronium

Système particule anti-particule purementélectromagnétique (pas d’interaction forte ou faible auniveau actuel de précision expérimental).

Etat lié = modèle pour les états lié p. ex. J/Ψ = � cEtat propre de CPeut permettre de tester les symétries discrètes C, PC(comme anti-H)


Formation du positroniumFormation du positronium

•Ralentisement du e+ dans la matière thermalisation.•Formation dans un grain de poudre de MgO (p.ex).•Diffusion vers la surface. Migration dans le vide entre lesgrains.

Mécanismes influant la dur ée de vie:•Pick-off (annihilation avec le “mauvais e-)M + e- + oPs ==> M + 2γ + e-

•Ortho ==> para champ magnétique ou échange de spin•Réaction chimique dans la matière

Dans tous les cas on observe 2 γγγγ de 511 keV.


TheoryTheory

¥Le terme B = termes non log dÕordre 2 =83 diagrammes deFeynmann.¥Attentes: B ~ 40 mais ??

¥R�cemment (2000) B = 44.52 ==> λλλλ0-ps = 7.039934–.00001 µµµµs-1

Cet effort a �t� motiv � par le d�saccord exp - thLe d�saccord subsiste.

€

λ α ππ

απ

α α απ

απ

α α α

µ

06 2

22 1

2 32 3

5 1

29

91

1

3

3

20

7 03824 3 910

−−

− −

= − − − +

− ( ) +

≈ +

Ps mcA

B

B s

hlog log ... ( log )

( . . )


Situation expérimentaleSituation expérimentale

Les exp. dans le vide sont à 5.5 σ de QEDLes expériences dans les poudres sont en accordAvec QED mais les corrections sont 10 fois sup. Au Désaccord ci-dessus.

Groupe Resul tat(µs-1)

∆∆∆∆(µs-1)

comment

198 7 Ann Arbor(Michigan)

Gaz 7.0 516 .01 166

198 9 Gaz 7.0 514 .01 146199 0 Vide 7.0 482 .00 830

Michiganexperiences danspoudres avantgaz

199 4 Tokyo Univ Poudre 7.0 348 -.00 51199 5 Poudre 7.0 398 -.00 13Theorie jusq’ αααα2 7.039934


Situation expérimentaleSituation expérimentale

Ann Arbor Gas: Thermalisation de Ps ?Tokyo: effet dans la matière. correction élevé.

Ann Arbor ds vide:Extrapolation?Disparition?


0-Ps cavité0-Ps cavitéLes problèmes: Pb exp = éliminer effets dépendantsde l’âge de oPs.• Thermalisation (section pickoff).• trou,•uniformisation

Eliminer les effets sur oPs (champ)


Ann ArborAnn Arbor(Nico & al.: (1990) Phys. Rev. lett. 65 1344-1347)

7.0482 – .0015 µµµµs-1.QED:7.039934–.00001 µµµµs-1 ∆∆∆∆ = .008266 = 0.17%

Extrapollation trou φφφφ=0 and S/V=0.(nombre de collisions ==> 0)

.Plusieurs effets ont �t � envisag � s, pas de conclusion d� finitive.


TokyoTokyoAsai & al: (1995) (Phys. Lett. B 357 475-480) 7.0398 – .0029 µµµµs-1.QED:7.039934–.00001 µµµµs-1 ∆∆∆∆ = -.000134 = -.002%

¥Exp� rience dans ds poudres de SiO2. Le positronium est form�Et sÕy d�sint�gre . Taux de pickoff � lev� (~103plus que dans le\Vide ) mais mesure directe

Cavit� comprend SiO2 22Na source scintillateurs. Accord � .002% apr � s une correction de Pickoff correction de.92 10-2 .Effets dus au mat�riaux?


Tableau des résultatsTableau des résultats

1.4

7

7.039934 (10)

7.03824 (7)

2000

1992

AFS

Lepage,Adkins

Delta AFS

Ms-1/ ppm

ppmTaux désintAn.Ref

-0.13± 8

-20±350 ± 210

350, 2107.0398 (80)1995Poudre Tokyo

-5.1 ± 8

-720±360 ±220

360, 2207.0348 (80)1994Poudre Tokyo

8.3 ± 1.6

1170 ± 230

2307.0482 (16)1990Vide Ann Arbor

11.46±1.4

(1600±227)

2277.0514 (14)1990Gas, Ann Arbor

11.66±1.3

(1600±190)

1907.0516 (13)1987Gaz, Ann Arbor


Mode exotique ?Mode exotique ?

TokyoInterdit C8 ppm 4 γ

groupcommentaire90% confCanal

Ann Arbor TokyoInterdit J C233 ppm2 γ

Moscou Tokyo SLACNn millicharge …2.8 ppmInvisible

TokyoVector boson

Para-photon

10 ppm γ γ γ

Moscou TokyoMa<900 keV400 ppmγ + a==> γ + 2 γ

CERN Moscou TokyoHeidelberg

Boson durée de vielong

1.1 ppmγ + a

Toute une série d’expériences ont été faites pour rechercherun mode de désintégration “Exotique” de o-Ps.


Univers miroir?Univers miroir?Proposition existence d’un univers miroir” faite pour restaurer laconservation de la parité.Mirror universe: Lee et Yang 1956 Kobzarev, Okun, Pomeranchuk 1966S. Glashow (1986): oscillations o-Ps ==> o-Ps’Revue récente:Mohapatra et Teplitz astro-ph/0004046, A. Dolgov hep-ph/9910532

S. Blinnikov astro-hp/9911138

Nombreux aspects attractifs:matière noire, MACHO microlensing, GRB problem…Déficit de neutrinos solaires…|O-Ps>(t)=a |O-Ps> + b |O-Ps’> |O-Ps’> ==> 3 γ’ invisibles


Test expérimentalTest expérimental

Signature expérimentale:

•Disparition de 1 MeV dans un calorimètre 4 π.

•Conditions de cohérence: vide, pas de champs E ou B.

•coréllation pic energie nulle taux de collision.


Résumé de la situationRésumé de la situation

•Le calcul de QED à l’ordre α2 achevé en 2000.

•Tous les modes de désintégrations exotiques semblent exclu.

•Le désaccord QED-exp dans le vide subsiste. Cependant lesExpériences dans les poudres ne montrent pas de désaccord.

•o-Ps permet de tester la validité de l’hypothèse “univers miroir” .•On ne peut laisser la situation en l’état. La confirmation du désaccord serait une indication ADDMS.


Le détecteurLe détecteur


La sourceLa source


0-Ps cavité0-Ps cavité


Principe de mesurePrincipe de mesure

•Le o-Ps est formé par collision e+ surface MgO.

•o-Ps migre dans le vide

•o-Ps ==> 3 γ ou o-Ps ==> 2 γ (Pickoff)

•Mesure temps de decay dans détecteurs Ge et γ.

•Le spectre du Ge indique la présence et la quantité de Pickoff.


Collisions sur les parois (sphère)Collisions sur les parois (sphère)

Tr > 200 ns


Mesure t>T0Mesure t>T0

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 14000.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

# e

ve

nts

Time (ns)

Formation region

Vacuum +

pickoff

Elimination des t < T0 Mesure et soustraction du pickoff


Spectre de γ −ΙSpectre de γ −Ι


Spectre de γ −ΙΙSpectre de γ −ΙΙ


Etats excitésEtats excités

Production:25 % oPs.Ps* ==> 23S1 = seul problème car 1.1 µs•Production ≈ 4.0 10-3 • “fragilité” • “E quenching” .

Etats n > 2 formation 1/n3


Monte-CarloMonte-Carlo

•Géométrie + composition # matériaux.•désintégration de o-Ps en 3 g avec éléments de matrice.•Processus de formation et de ralentissement dans les collisions avec les murs de la cavité, le pickoff..•La réponse des détecteurs: calorimètre et Ge, les résolutions en énergie.•Les efficacités.•Le bruit de fond accidentel.


Schéma SoftSchéma Soft


Information du MCInformation du MC

•Le o-Ps formé a un début d’histoire agité, mais au bout d’un temps tR, la densité du “gaz” de o-Ps dans la cavité et le taux de collisions’uniformise•Le taux de désintégration de o-Ps est extrait du spectre temporel après le temps d’uniformisation TR.•L’intensité du pic de 511keV permet d’évaluer précisément le taux de pickoff.•Diff érentes améliorations concernant la détection.•Simulation de la reconstruction.


ElectroniqueElectronique


AppareillageAppareillage


ConclusionsConclusions

• Nécessit é de clarifier la situation.•La mesure doit être faite dans le vide. ( effets dematiè re) [Ann Arbor]•La mesure du Pickoff directe élimine la nécessit éd’extrapoler à zéro collisions. [Tokyo]•+ cavit é sph érique .

•Si le désaccord subsiste ???


Extension:Extension:

L’exp érience requiert un faisceau de positrons de faibleénergie (≈≈≈≈ 700 keV) . Moyennant un investissementsup érieur , on con çoit un faisceau de positrons lents dans lagamme des qques 10aines de keV.

• Physique appliqué e: (étude de matériaux )

•Positron sensible à la densit é électronique et aux vacances•Dimension des défauts•Concentration .•Diff érentes techniques.


# Techniques# Techniques2 sous divisions:¥ Source ou faisceau (mesure globale ou en fonction de la profondeur).¥Dur� e de vie (PALS = positron annihilation lifetime)

densit� dÕ �lectronstaille et concentration des d� fauts

¥Elargissement Doppler (DB). Ou coplanarit� (ACAR).distribution des impulsions des � lectrons.

Les applications sontnombreuses: Diélectriques à faible capacité.Défauts des semi conducteursDéfauts composés métalliques.Polymères.


Performances attenduesPerformances attendues

Figure 1. Positron annihilation spectroscopy fills a special niche in the group of techniques for generalvacancy defect analysis. Shown are regions accessible to various standard techniques: opticalmicroscopy (OM), neutron scattering (nS), transmission electron microscopy (TEM), scanningtunneling microscopy (STM), atomic force microscopy (AFM), and x-ray scattering (XRS). Positrontechniques are both highly sensitive and can resolve the size of atomic vacancies at any depth in asample. The solid green line outlines the range of interest for studies of fine lines used as electronicinterconnects on semiconductor chips.

http://www.llnl .gov/str/Howell.html


Source & faisceauSource & faisceau

Source p. ex. 22Na ==> t0 par γ de 1.28 Mev.Mais spectre des e+ large [0 - 0.55] MeV. Mesure globale.

Pénétration typique des e+:keV micronMeV mm

Modération + accélération: bonne définition EMais t0 ! (modération)•émission d’électrons secondaires.•faisceau pulsé.


Echelle de tempsEchelle de temps


Positrons et polymèresPositrons et polymèresSpectroscopie d’annihilation de positons mise en œuvre pour l’étude depar exemple:

•des processus relaxationnels (transitions vitreuses et sous-vitreuses,vieil lissement physique)•de la caractérisation des structures anisotropiques ou les modificationsdu volume libre induite par des sollicitations mécaniques•des propriétés des perméations gazeuse•de la microstructure au voisinage de la surface•de l’effet de l’absorption de molécules d’eau ou de gaz par unPolymère.•Les processus de dégradation des matériaux soumis à diversesirradiations (UV, bombardement ionique …)


Positrons et matériaux densesPositrons et matériaux denses

•Les applications concernent l’étude des défauts (défauts de types lacunaires, dislocations, pores, bulles...) dans les métaux purs (cuivre, aluminium),, •les alliages et les semiconducteurs (Si, Si/SiO2, GaAs, GaP, CdTe...). •Certaines études relèvent du contrôle non destructif pour mesurer l’endommagement d’aciers soumis à certaines contraintes mécaniques et montrent que la technique permet de mesurer l’endommagement très précocement,. •Caractérisation de matériaux supraconducteurs,. •Du point de vue fondamental, la technique donne accès à la densité de distribution des états électroniques dans les solides.


Performances des e+Performances des e+

Positronium thermalisé T ≈ 1eV M=106 eVP ≈ 103 eV/ cBeta= p/E ≈ 10-3

V= 3. 105 m/s = 3 10-4 m/nsPickoff probabilité ≈ 10-6

Donc si 106 chocs distance: 3. 10-10 m


ConclusionsConclusions

•Mesure de physique fondamentale: test QED

•Retombées technologiques.

•Intérêt éducation - formation.

ETH (Zurich) - INR (Moscou) -LMOPS (Le Bourget du Lac) …

(presentation2)ops.in2p3.fr/conferences/clermont/daniel_sillou.pdf · title (presentation2) author...

Documents