Principe de l'experience
Dans cette expérience, on applique un champ électrique longitudinal, c'est-à-dire le long de l'axe de la cellule cylindrique qui contient la vapeur. Cet axe coïncide aussi avec la direction de propagation des faisceaux laser pompe et sonde. La polarisation eex du faisceau d'excitation est plane, et produit un alignement dans le niveau excité 7S. Le terme d'interférence électro-faible dans le taux de transition engendre une petite composante d'alignement dont les axes sortent des plans de symétrie de l'expérience : c'est la marque d'une violation de la parité.
On vient ensuite lire cette information avec une impulsion de faisceau sonde, colinéaire avec l'impulsion pompe et initialement de même polarisation plane, mais résonnante avec la transition permise 7S-6P3/2. Dans cette configuration, l'impulsion sonde est envoyé juste après l'impulsion pompe.On exploite toujours une impulsion sonde de référence pour extraire l'origine atomique des anisotropies optiques. La chronologie est rappelée sur le dessin ci-dessous.
La vapeur excitée représente pour le faisceau sonde, un milieu amplificateur anisotrope. Sans interaction faible, les axes de cette anisotropie (c'est-à-dire les axes de l'alignement dans 7S) respectent nécessairement les plans de symétrie de l'expérience, définis par les vecteurs d'onde des lasers et par le champ électrique (voir figure ci-dessous). L'effet de l'interaction faible est de faire tourner ces axes d'un petit angle qPV, de l'ordre de 10-6 rad.
A la traversée de la vapeur excitée, le faisceau sonde est amplifié par émission stimulée, et sa polarisation tourne d'un angle fonction de qPV.
On montre que cet angle qPV, qui représente l'asymétrie de l'expérience, est le rapport des deux dipôles dont les amplitudes de transition interfèrent pendant l'excitation 6S-7S.Dans cette expression Im E1PV est l'amplitude de transition violant la parité, b est la polarisabilité vectorielle et E est le module du champ Stark longitudinal appliqué. Le signe de qPV change si l'on change le sens du champ Ez appliqué. Cette expression est un cas particulier de la forme générale de l'asymétrie donnée plus haut. qPV = - Im E1PV/ bE ~ 10-6 rd
Le gain pour le faisceau sonde est donc différent pour les deux "expériences miroirs" représentées ci dessous.
Toute expérience de violation de la parité est caractérisée par une contribution pseudo-scalaire au signal mesuré (qui dans toute autre expérience est scalaire). Dans notre cas ce pseudo-scalaire s'écritIm E1PV. b .(eex . eprobe) [eex .(E xeprobe)]
C'est bien sûr l'existence de E1PV qui permet une contribution pseudo-scalaire aux signaux mesurés.
Mesure de qPV par polarimétrie en mode équilibréLa polarisation sonde, initialement parallèle à eex, tourne, pendant la propagation, d'un angle YPV= k qPV (k facteur atomique que l'on calibre expérimentalement). On mesure cet angle à l'aide d'un polarimètre représenté schématiquement ci-dessous. Ce polarimètre est essentiellement constitué d'un cube séparateur de polarisations, dont les axes sont à +45° et -45° de la polarisation du faisceau pompe, et de deux photodiodes IR, suivies d'une chaine de détection optimisée pour environ 108 photons en 20 ns.
Le déséquilibre du polarimètre donne accès à l'asymétrie droite-gauche :
ALR PV = (SX-SY)/(SX+SY)= 2 k qPV
On calibre l'effet PV en tournant eex d'un angle connu qcal , ce qui produit une rotation de la polarisation sonde de Ycal = k qcal , et une asymétrie ALRcal = 2 k qcal
On obtient finalement qPV :
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Les difficultés de ce type d'expérienceNous avons jusqu'ici décrit le principe de l'expérience idéale. Dans la pratique le montage présente d'une part des limites fondamentales concernant le bruit et un certains nombre d'imperfections d'autre part.
L'originalité de notre expérience est la détection par émission stimulée, et c'est cela qui doit nous permettre d'améliorer la statistique par rappport à la première expérience de Violation de la Parité réalisée à l'ENS en 1983. Dans le cas de la mesure d'un signal aussi petit que celui qu'on recherche (mesurer une rotation de polarisation de 10-6 rad), un travail majeur consiste à s'assurer que les imperfections du montage ne sont pas capables de mimer un signal possédant toutes les caractéristiques du signal recherché : c'est le problème des effets systématiques.Un moyen efficace de lutter contre ces effets systématiques est de mettre en place un ensemble très contraignant de critères de sélection pour le signal PV. On bascule un grand nombre de paramètres dans l'expérience, et notre signal possède une signature très spécifique lors de ces basculements. Si les critères de sélections sont efficaces, la plupart des imperfections engendrent des signaux qui ne respectent pas au moins l'un d'entre eux.
Les deux paragraphes ci-dessous indiquent schématiquement les critères de sélections mis en place sur notre montage (ref : thèse de D. CHAUVAT).
Les 8 configurations de polarisation pompe-sonde :Les dessins ci-dessous représentent les huit configurations des polarisations pompe et sonde exploitées pour mettre en oeuvre ces critèrs desélection. Pour chacune des quatre polarisations pompe eex exploitées (0°, 45°, 90°, 135°), on envoie la polarisation sonde eprobe successivement parallèle et perpendiculaire à eex.
Le polarimètre reste fixe, et on utilise deux lames l/2 basculables devant le polarimètre pour ramener la polarisation sonde suivant ses axes d'analyse.Le dessin ci-dessous représente une vue générale montrant quelques éléments essentiels de la partie polarimétrie de l'expérience.
Amplification de l'asymétrie :La détection par émission stimulée de l'état angulaire du niveau 7S permet, par rapport à une détection par fluorescence, une augmentation très sensible de la statistique. En principe, on détecte en effet tous les photons émis par les atomes excités, dans la direction du faisceau sonde, et non pas une petite fraction limité par l'angle solide couvert par le détecteur.
Mais ce schéma de détection possède un autre avantage, il permet une amplification de l'asymétrie au cours de la propagation du faisceau sonde. Il faut souligner qu'à priori il y a un compromis à réaliser entre le niveau du signal mesuré et la valeur de l'asymétrie. En effet le nombre d'atomes excités augmente comme E2 avec le champ électrique Stark qui assiste la transition 6S-7S, mais qPV = - Im E1PV/ bE, donc l'asymétrie est à première vue inversement proportionnelle à E. Ce résultat valable lors d'une détection par fluorescence, ne tient plus si l'on détecte par émission stimuléeNous présentons ci-dessous un modèle simple qui montre que toute augmentation de l'épaisseur optique pour le faisceau sonde augmente l'asymétrie mesurée. Le schéma ci-dessous précise les notations du modèle.
Notons e1, e2 les axes propres de la vapeur excitée, et a1, a2 les coefficients d'amplification du champ sonde par unité de longueur. Le champ électrique incident s'écritEin = E x = E (e1 - qe2),
Le champ électrique sortant est donc
Eout = E [e1 exp( a1 L) - qe2 exp( a2 L)]
On déduit de Eout l'asymétrie droite-gauche :
ALR = (SX - SY)/(SX + SY) (définition)soit ALR = -2 q (exp(A(a1-a2)/2 a1) -1)
où A = 2 a1L = ln(Iout/Iin) est par définition la densité optique de la vapeur pour le faisceau sonde.
Le nombre d'atomes excité dans l'état 7S croît comme E2, donc on a
| ALR PV = 2(Im E1pv/ bE) (exp(k E²(a1-a2)/2 a1) -1) |
Le résultat important est que ALR PV croît avec E, à l'inverse de ce qu'on est tenté de penser en écrivant A = 2Aweak/Aem où qPV = - Im E1PV/ bE, ce qui est équivalent.Les points expérimentaux ci-dessous illustrent l'augmentation de l'asymétrie ALR avec la densité optique sur le cas particulier de la transition d'excitation 6S F=3 -7S F=4 en sondant la transition 7S F=4 - 6P3/2 F=4 avec un tilt de eex par rapport epr égal à 1.2mrd ou 1.7mrd.
Cette amplification de l'asymétrie n'a d'intérêt que si elle préserve le rapport signal sur bruit.Notre signal est ALR = - 2 k qPV
Et le bruit est D(nX - nY)/(nX+nY) ~ 1/(nX +nY)1/2La polarimétrie en mode équilibré conduit à un déséquilibre normalisé indépendant de la statistique des photons !
On conclut donc que l'amplification de l'asymétrie (propagation non linéaire) n'ajoute pas de bruit à notre signal :
(référence : D.Chavaut et al, Eur. Phys. J. D 1, (1998) 169-176)
Une cellule à césium en verre avec électrodes internesUne des difficulés expérimentales consiste à appliquer le champ électrique (typiquement 2kV/cm) dans la cellule à césium. Cette cellule doit aussi être chauffée. On chauffe le queusot vers 150°C pour imposer la tension de vapeur de césium, et on surchaufffe le corps de la cellule vers 200°C pour détruire les dimères Cs2 en équilibre avec la vapeur atomique. Malgré l'agressivité chimique du césium, et ces températures, il faut conserver des fenêtres de qualité optique!
Les premières cellules utilisés sont des cellules en verre, avec lesquelles le champ électrique doit nécessairemnt être appliqué avec des électrodes internes. Cette prouesse technique a cependant été menée à bien (voir la photo ci-dessous) et a permis un travail considérable.
Le travail en cours porte sur la maitrise des effets systématique, et cela nous à amenés à étudier d'autres types de cellule.
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voies
ouvertes par les cellules en saphir
