Introduction

Qu'est ce que la violation de la parité?
Pourquoi s'intéresser à la violation de la parité dans les atomes?
Comment mesurer la violation de la parité dans l'atome de césium?

    En physique, on dit que l'on observe une violation de la parité lorsque deux expériences dans des configurations images miroirs l'une de l'autre donnent des résultats qui, eux, ne sont pas symétriques. Dit d'une autre façon, il y a violation de la parité si, pour une expérience donnée, l'expérience vue dans un miroir ne correspond pas une vraie expérience réalisable. Illustrons cette définition par l'expérience bien connue qui consiste à envoyer un faisceau laser, polarisé linéairement, dans une cuve contenant des molécules chirales avec un excès énantiomérique. On sait que le plan de polarisation va tourner au cours de la propagation. Supposons qu'il tourne vers la droite.

    Que voit-on dans le miroir? On voit un faisceau laser dont le plan de polarisation tourne vers la gauche puisqu'il tournait vers la droite dans la vraie expérience. Essayons de vérifier la deuxième définition proposée : il faut pour cela essayer de réaliser "en vrai" l'expérience que l'on a vue dans le miroir. On prend donc le même laser, mais  une cuve avec l'excès énantiomérique inverse. En effet, l'image d'une molécule R dans un miroir est une molécule S, exactement de la même façon que l'image d'une main gauche est une main droite. Et chacun sait que le sens de rotation du plan de polarisation est inversé quand on passe d'une molécule chirale à son énantiomère. Donc il est effectivement possible de réaliser l'expérience vue dans le miroir : sans entrer dans des considérations formelles, on voit que dans cette expérience la parité est conservée (elle n'est pas violée). Cette expérience met uniquement en jeu l'interaction électromagnétique et il est bien connu que l'électromagnétisme conserve la parité.

    De façon formelle, on définit l'opérateur parité P, qui transforme le quadrivecteur (x,y,z,t) en (-x,-y,-z,t). P est  la composition de l'opération  miroir, qui transforme  (x,y,z,t) en (x,y,-z,t), et d'une rotation de 180° autour de Oz, qui transforme (x,y) en (-x,-y). Or la physique est invariante par rotation, donc physiquement l'opérateur parité est équivalent à l'opérateur miroir. Rappelons pour finir que l'on qualifie de  "polaire"  un vecteur qui change de signe par parité  (un vrai vecteur), alors qu'un vecteur est dit "axial" s'il ne change pas de signe par parité  (un pseudo vecteur). Le champ magnétique, et le moment cinétique sont des pseudo vecteurs, et le champ électrique et la vitesse sont des vecteurs. On définit de même un scalaire (signe conservé) et un pseudo scalaire (change de signe).Par exemple, le produit mixte de trois vecteurs constitue un pseudo scalaire, et le produit scalaire de deux vecteurs, un scalaire.
 

Pourquoi s'intéresser à la violation de la parité dans les atomes?

    On s'intéresse à la violation de la parité parce que c'est la signature spécifique de l'interaction faible. Notre motivation fondamentale est l'étude de l'interaction faible et la violation de la parité est le moyen pour y parvenir.
Rappelons que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique sont décrites de façon unifiée au sein du Modèle Standard électrofaible. Les théories des interactions entre particules élémentaires sont en général testées en physique des hautes énergies, dans les accélérateurs de particules. Mais il est très intéressant de confronter ces théories aux résultats d'expériences menées dans un domaine d'énergies complètement différent, parce que les informations obtenues sont complémentaires.
C'est dans ce contexte que nous nous intéressons aux interactions faibles dans les atomes.

    En fait la mesure de l'interaction faible dans un système stable comme l'atome de césium ¹³³Cs permet déjà de vérifier une prédiction majeure du modèle standard : l'existence d'interactions faibles  à courants neutres, véhiculées par le boson Z^o. Une telle expérience a été réalisées dans ce groupe en 1982-1983. Elle a permis d'étendre considérablement vers les basses énergies le domaine dans lequel le Modèle Standard  électrofaible se trouve vérifié par des observations expérimentales.

    L'objet de l'expérience de seconde génération, sur laquelle nous travaillons actuellement, est de mesurer avec une précision de 1% la charge faible du noyau de césium  (l'équivalent pour l'interaction faible de la charge électrique pour l'interaction coulombienne). Cette grandeur peut être calculée très précisément dans le cadre du Modèle Standard et toute déviation observée est capable de révéler une "Nouvelle Physique" au delà de ce Modèle.

    La physique atomique est en particulier capable de révéler l'existence de particules nouvelles, telles qu'un nouveau Z'⁰ sur lequel les expériences de hautes énergie, même à LEP2, ne donnent que des informations fort restreintes.

    Récemment des événements inattendus ont été observés à l'accélérateur HERA du Laboratoire DESY à Hambourg. Ils ont soulevé un très grand intérêt dans la communauté de Physique des Particules parce qu'ils auraient pu être la première mise en évidence de nouvelles particules appelées leptoquarks. La valeur expérimentale de la charge faible du césium fournit parmi les plus fortes contraintes sur les modèles de leptoquarks.
 

Comment mesurer la violation de la parité dans l'atome de césium?

    L'idée générale suit la définition proposée plus haut : il faut réaliser deux expériences dans des configurations images miroir, et chercher à mesurer l'asymétrie dans les résultats. Si l'on est sûr que les deux configurations sont effectivement parfaitement images miroir (et c'est là toute la difficulté!), alors une asymétrie dans les résultats ne peut provenir que de l'interaction faible.

    Notre expérience repose sur une mesure ultra précise de polarimétrie, menée avec des faisceaux lasers pulsés. Donnons une première description très schématique de l'expérience idéale. Nous travaillons avec une vapeur atomique de césium, contenue dans une cellule.  Une première impulsion laser, de polarisation linéaire e^ex, excite, en présence d'un champ électrique longitudinal E, la transition très interdite 6S-7S. C'est pendant cette transition que se manifeste la violation de la parité, et elle laisse une "marque" dans le niveau excité 7S. On vient ensuite lire cette information avec une deuxième impulsion, de même polarisation initiale que la polarisation du faisceau pompe, mais accordée sur la transition permise 7S-6P_3/2. A la traversée de la vapeur excitée cette impulsion sonde est amplifiée par émission stimulée, et son plan de polarisation tourne d'un petit angle F^PV. C'est ce petit angle qu'il faut mesurer avec le polarimètre placé en sortie de cellule.

    Si on considère l'expérience vue dans un miroir parallèle au plan défini par la direction de propagation et la polarisation du laser, on voit la même expérience à ceci près que la polarisation sonde tourne dans l'autre sens. Mais cette fois, contrairement à l'expérience sur les molécules chirales, le montage vu dans le miroir est exactement le même. On conclut donc que l'expérience vue dans le miroir ne correspond pas à une expérience réalisable dans notre monde : il y a bien violation de la parité.

    Comme on le voit sur la figure ci-contre, l'expérience présente deux plans de symétrie. Sans violation de la parité, on peut attendre une anisotropie pour l'amplification du faisceau sonde, mais qui respecte ces plans de symétrie. L'effet de l'interaction faible lors de l'excitation est de faire sortir les axes propres de l'amplification d'un petit angle q^PV par rapport à ces plans
 

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