Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité - UMR5589

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Photorégénération de bosons de faibles masse

Biréfringence Magnétique du Vide (BMV)

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Notre programme scientifique, le projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide), s’articule autour d’un projet expérimental ambitieux dont le but est de vérifier en laboratoire les prévisions de l’électrodynamique quantique pour ce qui concerne l’énergie du vide. Ce projet est basé sur l’utilisation de champs magnétiques pulsés très intenses et d’un appareil optique très sensible pour la détection des effets induits par ce champ sur un faisceau laser. Il représente la collaboration de trois laboratoires : le LNCMI, le LCAR à Toulouse et le LMA de l’IN2P3 à Lyon.

1. Objectifs et contexte

L’électrodynamique classique, modifiée au début du XXème siècle pour prendre en compte les concepts de la mécanique quantique a donné naissance à l’électrodynamique quantique (EDQ). Parmi les nouveaux phénomènes prédits par l’EDQ mais jamais observés, on trouve la biréfringence magnétique du vide, appelée aussi effet Cotton-Mouton du vide.

Dans le vide, en présence d’un champ magnétique transverse, la vitesse de propagation de la lumière dépend de sa polarisation. L’indice de réfraction $n_{par}$ vu par une onde polarisée parallèlement au champ magnétique est différent de l’indice $n_{perp}$ vu par une onde polarisée perpendiculairement au champ magnétique. La différence $\Delta n = n_{par} - n_{perp}$ est alors proportionnelle à . Une onde polarisée linéairement à l’entrée du vide ressort donc de la région d’interaction avec le champ magnétique transversal avec une polarisation elliptique (Fig. 1) [1]. Euler et Kochel en 1935, puis Heisenberg et Euler en 1936 [2] ont établi le lagrangien d’interaction puis ils ont calculé la biréfringence induite qui vaut $\Delta n = 4\times 10^{-24}T^{-2}$ . C’est le challenge que nous avons à relever ! L’observation d’un tel effet constituerait la première mise en évidence de la propagation non linéaire de la lumière dans le vide quantique.

Cette prévision très fondamentale n’a pas encore été confirmée expérimentalement. Néanmoins, l’équipe italienne de l’expérience PVLAS [3] du professeur Zavattini a annoncé en 2006 avoir observée une activité optique due au vide quantique. Ce phénomène ne peut pas être expliqué par l’EDQ mais il pourrait être une première observation d’un constituant de la matière noire. Notre expérience de photorégénération a été montée suite à cette publication. Nos résultats ont finalement permis de montrer sans ambiguïté que l’interprétation des italiens était erronée.

2. Description du projet

2.1 Introduction

Le projet toulousain repose sur les compétences de trois laboratoires : le LNCMI, le LCAR à Toulouse et le LMA à Lyon qui nous fournit des miroirs de très grande qualité. Ceux-ci devraient nous permettre d’avoir une cavité Fabry Perot approchant une finesse de 1 000 000.

Avec ces paramètres expérimentaux (finesse et champ magnétique), l’ellipticité à mesurer devrait être de l’ordre de $4 \times 10^{-9}$ . Dans son stade final, notre expérience devrait être capable d’observer pour la première fois la biréfringence magnétique du vide prédite par l’EDQ.

2.2 Le champ magnétique

Notre expérience nécessite d’avoir le plus grand champ magnétique transverse possible. Le meilleur choix est donc d’utiliser des aimants pulsés dont le LNCMI à Toulouse est spécialiste. De plus, nous avons besoin d’une région d’interaction avec le champ magnétique importante car l’ellipticité que nous mesurons est proportionnelle au produit , où est la longueur où le champ magnétique est appliqué. L’objectif final est de réaliser des aimants pulsés pouvant délivrer un B²L supérieur à 600 T²m.

L’aimant testé et développé est basé sur une géométrie en X, appelé X-coil, qui permet d’avoir un champ magnétique transverse important tout en laissant l’accès optique pour laisser passer le laser. Comme tous les aimants pulsés, les bobines sont immergées dans de l’azote liquide afin de limiter les conséquences du chauffage pendant le tir magnétique. Des photos du cryostat contenant la bobine sont représentées sur la Figure 2.

Fig. 2

Fig. 2 Gauche : Cryostat. Haut à droite : Bobine dans son cryostat. Bas à droite : Cryostat sur la table optique dans la salle blanche

2.3 L’optique

La seconde partie du projet concerne la mise en place de la cavité de 2 m de long, l’ensemble du système à vide et l’optique avec en particulier l’asservissement du laser sur la cavité. Les miroirs de très haute finesse ont été fabriqués par le LMA et ils devraient avoir des caractéristiques correspondant à une finesse proche de 1 000 000.

2.4 Dispositif expérimental

L’expérience a été installée au LNCMP au mois de mai 2006. Une salle propre y a été réalisée (voir photos plus bas). Son accès est réservé aux membres de l’équipe totalement équipés, afin de minimiser la pollution, en particulier pour les miroirs de la cavité de très haute finesse. Le laser, le système à vide, les aimants et les cryostats sont placés dans la salle tandis que le banc de capacités nous servant de générateur est placé à l’extérieur. Le poste de contrôle pour l’expérience est placé dans un sas d’accès à la salle propre.

Pour plus de détails : voir notre article publié dans European Physical Journal D (R. Battesti et al., Eur. Phys J. D 46, 323 (2008)).

3. Etat actuel

Montage

A ce jour notre appareil monté en salle blanche est constitué de
deux bobines qui délivrent des champs magnétiques supérieurs à 11 T pendant une impulsion de durée totale de quelques millisecondes et une longueur totale d’environ 50 cm,
une cavité Fabry-Pérot de longueur environ 2,2 m et de finesse 130 000 (miroirs fabriqués par Layertec). Une source laser Nd :YAG ( $\lambda$ = 1064 nm) est asservie sur cette cavité.

Mesures

Les premières prises de données ont été effectuées durant l’été 2008. Nous sommes en mesure de voir l’effet Cotton-Mouton des gaz comme l’azote moléculaire ou l’hélium. Les résultats correspondent aux valeurs attendues.

Plusieurs tirs ont également été réalisés dans le vide donnant : $\Delta n_{\mathrm{vide}} = (-9.8 \pm 22.9)\times10^{-17} T^{-2}$ .

Nous avons mesuré la biréfringence des miroirs fabriqués par Layertec. Une étude basée sur une revue des données déjà existente de biréfringence de miroirs interferentiels avec nos nouvelles données et le développement d’un programme sur ordinateur nous a permis d’indiquer que l’origine de la birefringence des miroirs pourrait être attribuée aux couches réfléchissantes les plus proche du substrat. Pour plus de détails, voir notre article publié dans Applied Physics B (F. Bielsa et al, Appl. Phys. B, (2009)).

Bobines

Une nouvelle bobine a été testée au mois de septembre 2009. Celle-ci a cassé à plus de 30 Tesla correspondant à plus de 300 T²m. Notre objectif qui était d’obtenir 25 Tesla est donc atteint !

[1] G. L. J. A. Rikken and C. Rizzo, Phys. Rev. A 63, 012107 (2003).

[2] H. Euler and B. Kockel, Naturwiss. 23, 246 (1935) ; W. Heisenberg and H. Euler, Z. Phys. 98, 714 (1936).

[3] E. Zavattini et al., Phys. Rev. Lett., 96 (2006).

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