Statistical analysis of classical and quantum measurements of free fall acceleration of antihydrogen for the GBAR experiment
Analyse statistique des mesures classiques et quantiques de l’accélération de chute libre de l’antihydrogène pour l’expérience GBAR
Résumé
The framework of this thesis is the GBAR collaboration at CERN which aims at measuring the free fall acceleration g_bar of ultracold antihydrogen atoms in the Earth’s gravitational field. Improving the accuracy of this measurement is a crucial objective for advanced tests of the Equivalence Principle involving antimatter, which could improve our understanding of the asymmetry observed between matter and antimatter in our universe. In this thesis, we model the evolution of antihydrogen atoms from the trap where they are produced to their detection, by taking into account their quantum behaviour. Our simulations aim at finding the optimal parameters for the free fall chamber to get the best accuracy possible. The recoil in the photodetachment of the excess positron of antihydrogen ion is taken into account in the evaluation of the velocity distribution of antihydrogen atoms, and the phenomenon of quantum reflection of antiatoms on material surfaces is also studied. When combined with quantum reflection on a horizontal mirror, gravity can trap particles in gravitational quantum states, which produce interference patterns that can be used for a quantum measurement of g_bar. A statistical analysis is carried out for the classical and quantum measurements by using Monte-Carlo numerical simulations compared with analytical methods. The classical method leads to an accuracy better than 10^-2, while the quantum method with gravitational quantum states leads to a precision of about 10^-5. This work proposes new statistical methods which can be used in other applications than the GBAR experiment.
Le contexte de cette thèse est la collaboration GBAR au CERN qui vise à mesurer l’accélération de chute libre g_bar des atomes d’antihydrogène ultrafroids dans le champ gravitationnel terrestre. Améliorer la précision de cette mesure est un objectif crucial pour les tests avancés du principe d’équivalence impliquant l’antimatière, qui pourrait améliorer notre compréhension de l’asymétrie observée entre matière et antimatière dans notre univers. Dans cette thèse, nous modélisons l’évolution de ces atomes d’antihydrogène depuis le piège où ils sont produits jusqu’à leur détection, en prenant en compte leur comportement quantique. Nos simulations visent à trouver les paramètres optimaux pour la chambre de chute libre afin d’obtenir la meilleure précision possible. Le recul lors du photodétachement du positron en excès de l’ion antihydrogène est pris en compte dans l’évaluation de la distribution de vitesse des atomes d’antihydrogène, et le phénomène de réflexion quantique des antiatomes sur les surfaces matérielles est aussi étudié. Combinée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité peut piéger les particules dans des états quantiques gravitationnels qui produisent des figures d’interférence qui peuvent être utilisées pour une mesure quantique de la valeur de g_bar. Une analyse statistique des mesures classiques et quantiques est réalisée en utilisant des simulations numériques de Monte-Carlo comparées à des méthodes analytiques. La méthode classique conduit à une précision meilleure que 10^-2, alors que la méthode quantique avec les états gravitationnels quantiques conduit à une précision d’environ 10^-5. Ce travail propose des méthodes statistiques nouvelles qui peuvent être utilisées dans d’autres applications que l’expérience GBAR.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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