Les avancées en physique atomique et dans le domaine des lasers sont exploitées pour mesurer avec une grande précision des constantes physiques fondamentales et réaliser des tests ultra-précis de l’électrodynamique quantique et d’autres théories fondamentales.
Un thème de recherche unificateur du laboratoire Kastler Brossel est le test des théories fondamentales de la physique en étudiant précisément des systèmes atomique et moléculaire. Cet axe de recherche est composé de deux équipes de recherche « métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux » et « Ions piégés».
Équipes de Recherche
Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux
L’équipe « métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux » s’intéresse principalement à la détermination de constantes fondamentales, selon trois axes principaux :
Les mesures très précises des fréquences de transition de l’atome d’hydrogène faites dans cette équipe permettent d’améliorer la connaissance de la constante de Rydberg mais aussi celles des déplacements de Lamb calculés par l’électrodynamique quantique. L’étude d’ions très chargés et d’atomes exotiques (comme par exemple l’hydrogène pionique) permet de tester l’électrodynamique en champ fort et l’interaction forte à basse énergie et de mesurer la masse de particules élémentaires. Dans le cadre de la collaboration internationale CREMA, l’équipe a participé à la mesure du rayon de distribution de charge du proton par spectroscopie de l’hydrogène muonique. Cette mesure a eu un fort retentissement mondial et a suscité une intense activité théorique, car elle est en désaccord avec la valeur attendue théoriquement.
La mesure de la vitesse de recul d’un atome qui absorbe un photon permet une détermination ultra-précise de la constante de structure fine. Le principe de l’expérience qui utilise une source d’atomes froids, repose sur la combinaison de l’interférométrie atomique avec la technique des oscillations de Bloch dans un réseau optique accéléré. Les résultats obtenus, avec une précision inégale de 7 x 10 -10 sur la détermination de la constante de structure fine ont permis de réaliser le test le plus précis des calculs de l’électrodynamique quantique.
Métrologie des Ions piégés
L’équipe « Ions piégés » développe une expérience utilisant le refroidissement sympathique d’ions légers par des ions Be+ piégés et refroidis par laser pour réaliser des mesures de précision sur plusieurs systèmes moléculaires ou atomique qui ne peuvent pas être refroidis directement par laser. L’équipe a également une activité théorique sur les calculs de précision pour le problème coulombien à trois corps.
La spectroscopie vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler sur des ions H2+ sélectionnés en état interne ou sur des ions HD+ permet de déterminer de manière optique directe le rapport entre les masses du proton et de l’électron mp/me.
Par ailleurs, les protocoles de refroidissement sympathique mis au point sur des ions H2+ permettent de préparer le refroidissement des ions antimatière dans le cadre du projet GBAR au CERN, ainsi que des expériences de spectroscopie d’ions multichargés.
Un des résultats majeurs de l’équipe « Ions Piégés » est la détermination des corrections relativistes, radiatives et de structure hyperfine des ions H2+ et HD+ au niveau d’incertitude relative de 10-11, permettant de déterminer mp/me avec un niveau de précision comparable et compétitif avec les méthodes reposant sur la mesure du rapport gyromagnétique de l’électron lié dans un ion multichargé.