Innovation et optimisation d'une méthode de polarimétrie pompe-sonde avec des faisceaux laser impulsionnels en vue d'une mesure précise de violation de la parité dans l'atome de césium

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Innovation et optimisation d’une méthode de

polarimétrie pompe-sonde avec des faisceaux laser

impulsionnels en vue d’une mesure précise de violation

de la parité dans l’atome de césium

Dominique Chauvat

To cite this version:

Dominique Chauvat. Innovation et optimisation d’une méthode de polarimétrie pompe-sonde avec des faisceaux laser impulsionnels en vue d’une mesure précise de violation de la parité dans l’atome de césium. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 1997. Français. �tel-00011914�

ORSAY

N° D’ORDRE:

4975

DÉPARTEMENT

DE

_PHYSIQUE

DE

L’ÉCOLE

NORMALE

SUPÉRIEURE

LABORATOIRE

KASTLER-BROSSEL

UNIVERSITÉ

DE

PARIS-SUD

U.F.R.

SCIENTIFIQUE

_D’ORSAY

Spécialité: Optique

et

_Photonique

THÈSE

présentée

pour obtenir

le GRADE de DOCTEUR EN SCIENCES

de l’Université Paris XI ORSAY

PAR

Dominique

CHAUVAT

Sujet:

INNOVATION

ET

OPTIMISATION D’UNE

MÉTHODE

DE

POLARIMÉTRIE

POMPE-SONDE

AVEC

DES FAISCEAUX LASER IMPULSIONNELS

EN

VUE

D’UNE MESURE

PRÉCISE

DE

VIOLATION

DE LA

PARITÉ

DANS L’ATOME

DE

CÉSIUM

Date de soutenance: le 22 Octobre

_1997,

devant la Commission d’examen:

M.

C.

BORDÉ

Président

M. A.

ASPECT

Examinateur M. C.

BOCCARA

_Rapporteur

Mme. M.A.

BOUCHIAT

Directeur de

thèse

M. E.N. FORTSON Examinateur M. B. GIRARD

_Rapporteur

Mlle. J.

GUÉNA

Membre invité

ORSAY

N° D’ORDRE: 4975

DÉPARTEMENT

DE

_PHYSIQUE

DE

L’ÉCOLE

NORMALE

SUPÉRIEURE

LABORATOIRE KASTLER-BROSSEL

UNIVERSITÉ

DE

PARIS-SUD

U.F.R.

SCIENTIFIQUE

_D’ORSAY

Spécialité :

Optique

et

_Photonique

THÈSE

présentée

pour obtenir

le GRADE de DOCTEUR EN SCIENCES

de l’Université Paris XI ORSAY

PAR

Dominique

CHAUVAT

Sujet:

INNOVATION

ET

OPTIMISATION D’UNE

MÉTHODE

DE

POLARIMÉTRIE

POMPE-SONDE

AVEC

DES FAISCEAUX LASER IMPULSIONNELS

EN

VUE D’UNE MESURE

PRÉCISE

DE

VIOLATION

DE LA

PARITÉ

DANS L’ATOME

DE

CÉSIUM

Date de soutenance: le 22 Octobre

1997,

devant la Commission d’examen:

M.

C.

BORDÉ

Président

M. A.

ASPECT

Examinateur

M. C. BOCCARA

_Rapporteur

Mme.

M.A. BOUCHIAT

Directeur

de

thèse

M. E.N.

FORTSON

Examinateur

M. B.

GIRARD

_Rapporteur

Le travail

_présenté

dans ce mémoire a été

effectué

au sein du Laboratoire

KASTLER-BROSSEL à

l’École

Normale

_Supérieure

au cours des années 1994 à 1997. Je remercie sa

directrice,

Michèle

LEDUC,

de

_m’y

avoir

accueilli,

me

_permettant

ainsi de travailler dans des

conditions

_{scientifiques exceptionnelles.}

Le déroulement de cette thèse a été

possible

_grâce

au

soutien financier

du Ministère de

_{l’Enseignement Supérieur}

et de la Recherche.

Ce travail est tout d’abord celui d’une

_équipe.

Je souhaite donc tout d’abord remercier

l’ensemble du _{groupe pour m’avoir}

_{rapidement intégré.}

Chacun de ses membres a

_toujours

été d’une

_{remarquable disponibilité}

_pour

_m’apporter

son aide.

Marie-Anne BOUCHIA T m’a

_proposé

le

_sujet

de la thèse et a

_dirigé

mon travail. Je lui suis très reconnaissant de m’avoir _{permis de}

_participer

à ses travaux de recherche. Je ne saurais

trop

dire _{la chance qui} m’a été donnée de travailler avec elle et _{je voudrais la} remercier très

sincèrement pour

tout ce

_qu’elle

_{m’a appris} et transmis

_pendant

ces années.

Je voudrais remercier

_{Jocelyne GUÉNA}

avec

_{qui j’ai}

travaillé

quotidiennement pendant

ces trois années. Elle m’a initié aux

techniques

utilisées dans

_{l’expérience}

de Violation de la

Parité. Je

_garderai

un

_agréable

souvenir de nos discussions et des nombreuses heures de

manipulations

que nous avons

_partagées.

Je tiens aussi à la remercier

_{spécialement}

_pour son aide et sa

_{disponibilité}

de tous les instants.

Je tiens à remercier très chaleureusement

Philippe JACQUIER

et Michel LINTZ. Leurs conseils

_quotidiens

et leur collaboration amicale ont _{été pour} moi très

_précieux.

Ils ont très

largement

contribué à ce travail et m’ont

_toujours

volontiers

_fait

_partager

leur enthousiasme pour la

Physique.

Je suis aussi très reconnaissant à Mark PLIMMER avec

_{qui j’ai}

eu la chance

Alain

_ASPECT,

Claude

BOCCARA,

Christian

BORDÉ,

Bertrand GIRARD et Norval

FORTSON

_{m’ont fait}

l’honneur de bien vouloir

_participer

_{au jury. Je leur} suis très reconnaissant de l’intérêt

_qu’ils

ont bien voulu

_{manifester pour}

cette thèse.

Je tiens aussi à remercier tous les autres _{membres du Laboratoire qui m’ont aidé}

_pendant

ces trois années de thèse.

J’ai souvent

_bénéficié

de la

_compétence

des techniciens et des

_ingénieurs

du laboratoire.

Par-delà André

_CLOUQUEUR,

Jean

_OUTREQUIN

et

_Jacques

OLEJNIK,

je tiens à leur exprimer ma

_profonde

_gratitude

_{pour leurs} services et leur accueil

_toujours

chaleureux. Je tiens

aussi à remercier Catherine

ÉMO,

Geneviève PIARD et Irène BRODSCHI _pour leur aide. Je

remercie

particulièrement

Mme MOISSENET _qui a

_{reproduit les figures}

de ce manuscrit.

Je veux aussi remercier

Stéphane

GUÉRANDEL

_qui m’a

_beaucoup

aidé pour

l’exploitation

du

_système

Latex.

Je veux aussi remercier les

_stagiaires

_qui se sont succédé

_pendant

ces trois années. Ils ont

largement

contribué

_{à faire}

_{progresser des}

_montages

dont

_{l’expérience}

de Violation de la Parité va très bientôt

bénéficier.

Je suis donc reconnaissant _{pour leur aide} et leur

_{sympathie. J’espère}

sincèrement que certains d’entre eux

_pourront

continuer le travail relaté dans ce manuscrit.

Enfin

je remercie mes

_parents,

_Raphael

et

_Hervé,

tous mes amis et surtout Kasia

_(bardzo

dzikuje)

pour m’avoir le

plus

patiemment

possible

supporté

dans tous les sens du terme

_pendant

i

Table des matières

1 Introduction 1

1.1

_Objet

de cette thèse ... 1

1.2 Plan ... 4

2 Les

_expériences

de Violation de la Parité dans l’atome de césium.

Principe

de

_{l’expérience}

actuelle à l’ENS 7

2.1 La Violation de la Parité dans l’atome de césium ... 7 2.1.1

_{Principe général}

d’une

_expérience

de Violation de la Parité ... 7

2.1.2

_Historique

... 8

2.1.3

_{Principe général}

des

_expériences

PV _par interférences Stark sur des transitions très interdites ... 11

2.1.4 La

_{première expérience}

de fluorescence dans le césium et ses ré-sultats ... 13

2.1.5 Motivations _pour d’autres

_expériences

... 16

2.2

_Principe

de notre

_expérience,

utilisant une méthode de détection _par émission stimulée ... 21

2.2.1 Excitation de la transition interdite ... 21

2.2.2

_{Amplification}

du faisceau sonde et observable mesurée ... 22 2.2.3 Mesure

_{polarimétrique}

de

_{l’asymétrie acquise}

_par le faisceau sonde 25

2.2.4 Calibration de l’effet PV ... 27

2.2.5

_{Amplification}

simultanée de l’intensité sonde et de

_{l’asymétrie .}

28 2.3

_{L’expérience}

concurrente de Boulder ... 29

3

_Description

du

_montage

_{expérimental.}

Solutions

_apportées

aux

im-pératifs expérimentaux

33

3.1

_{Exigences spécifiques}

et

_problèmes

rencontrés liés à la nouvelle

_approche

utilisant l’émission stimulée ... 33 3.2 Contributions

_apportées

au

_montage

_pendant

le travail de thèse .... 37 3.3 Faisceau laser excitateur

_impulsionnel

à

_539,4

nm ... 39

3.3.1 Source laser continue ... 39

3.3.2

_{Amplification impulsionnelle}

avec des cellules à colorant .... 39 3.3.3 Profil

_spatial

du faisceau excitateur

_{impulsionnel ...}

41

ii

3.3.4 Stabilisation de

_l’énergie

d’excitation ... 43

3.4 Faisceau sonde ... 43

3.4.1 Laser continu à centres colorés à

_1,47

_03BCm ... 43

3.4.2

_Interrupteur

_optique

nanoseconde ... 45

3.5 Mesure et contrôle de la

_polarisation

des faisceaux _pompe et sonde ... 47

3.6 Mesure et contrôle de la

_position

des faisceaux pompe et sonde ... 57

3.7 Cellules à césium à

_champ

_électrique

_{longitudinal homogène ...}

59

3.8 Contrôle et

_compensation

du

_champ

_magnétique

ambiant du laboratoire 67 3.9

_{Synchronisation}

de

_{l’expérience}

... 68

3.10

_Séquences

_{d’acquisition}

des données ... 71

4 Une méthode de

_{polarimétrie}

de

_précision

en mode

équilibré

avec un faisceau laser

_impulsionnel

73 4.1

_{L’analyseur}

de

_{polarisation ...}

73

4.2 Problèmes des faux

_signaux

de

_{polarisation d’origine}

instrumentale .. 76

4.2.1 Généralités ... 76

4.2.2 Interférences

_{électromagnétiques}

dues à

_{l’application}

du

_champ

électrique

... 76

4.2.3 Effets

_{géométriques}

sur le faisceau sonde

amplifié ...

77

4.3 Nouvelle

_signature

_pour discriminer vrais et faux effets de

_{polarisation .}

77 4.3.1

_Principe

de la

_signature

... 77

4.3.2 Influence du défaut d’orientation des axes de la lame ... 79

4.4

_Description

des

_phénomènes

de

_polarisation

_par les matrices de Jones . 80 4.4.1

_Description

des différentes

_anisotropies

... 80

4.4.2 Les différentes

_{configurations}

du

_polarimètre

et les

_paramètres

mesurés dans le cas idéal

_(polariseur

et

_analyseur

_parfaits)

... 81

4.5 Polariseur et

_analyseur

linéaires ... 83

4.5.1 Polariseur

₍

ou

y)

et

_analyseur

(,) linéaires.

_{Article:"High}

précision

balanced mode

_polarimetry

with a

pulsed

laser beam"

_Optics

Communications

119

₍₁₉₉₅₎

403-414 ... 83

4.5.2 Tableaux résumés ... 97

4.5.3 Polariseur

₍

ou

)

et

analyseur

(,) linéaires ...

98

4.6 Polariseur linéaire et

_analyseur

circulaire ... 100

4.6.1 Elimination des effets

_{géométriques}

en

analyseur

circulaire

=

ou et

A =

(,)

... 100

4.6.2

_Analyseur

circulaire avec

=

ou et A =

(,) ...

102

4.7 Conclusion:

_avantages

du nouveau critère de sélection

_apporté

_par la lame

(03BB 2)

pr

out

... 106

iii

5 Une méthode de

_{polarimétrie}

_atomique

en mode

équilibré

111

5.1

_Objectifs

... 111

5.1.1 Influence du

_grand

_alignement

Stark dans la _vapeur excitée ... 112 5.1.2 Détection sur fond noir ... 113 5.1.3 Effets

_{systématiques}

_par

_couplage

entre les effets

E

z

-

even et un

renversement

_imparfait

de

_E

_z

... 114

5.2 Elimination des défauts de

_polarisation

avec des

polarisations

_pompe et sonde

_ou

... 116

5.2.1 Préliminaire sur le formalisme et les notations utilisés dans l’article116 5.2.2 Article: "Differential-mode atomic

_polarimetry

with

_pulsed

lasers :

_{high-precision}

zero

adjustment"

J.

Opt.

Soc. Am.

B

_14,2

₍₁₉₉₇₎

271-284 ... 117

5.3 Validité de la

_procédure

de

_compensation

_pour les défauts de

_polarisation

du faisceau sonde ... 133

5.3.1

_Objectif

... 133

5.3.2

_Exposition

du

_{problème ...}

133

5.3.3

_Couplage

des

_anisotropies

sur le faisceau sonde avant les atomes

avec la

grande

anisotropie

Stark dans la _vapeur

atomique

excitée 134 5.3.4

_Couplage

des

_anisotropies

sur le faisceau sonde

_après

les atomes

avec la

grande anisotropie

Stark dans la _vapeur

atomique

excitée 137

5.4 Extension de la

_procédure

de

_compensation

aux

polarisations

_pompe et sonde

_,

... 138

5.5 Conclusion ... 139

5.6 Annexe: validité de la

_procédure

de calibration en

_présence

de défauts

de

_polarisation

... 140

6

_{Amplification}

d’une

_asymétrie

de

_polarisation

145

6.1 Introduction ... 145

6.2

_{Amplification}

d’une

_asymétrie

de

_polarisation

_grâce

à un milieu

atomique

amplificateur

fortement

_anisotrope

... 146

6.2.1 Présentation ... 146 6.2.2

_{"Amplification}

of atomic L-R

_asymmetries

_by

stimulated

émission:

_experimental

démonstration of

_sensitivity

en-hancement valuable for

_Parity

Violation

_{measurements",}

à

_paraître

dans

_{European Physical}

Journal D... 147 6.2.3

_{Augmentations possibles}

du

_rapport

_signal

sur bruit

_grâce

à

l’amplification

de

_{l’asymétrie}

... 170

6.3

_{Amplification}

d’une rotation de

_polarisation

en mode

équilibré

_grâce

à

un

_composant

optique

fortement

dichroïque.

Perspectives

... 171

iv

6.3.2 Article:

_{"Magnification}

of a

tiny polarisation

rotation

by

a dichroic

plate

in balanced mode

polarimetry",

Optics

Communications

138

₍₁₉₉₇₎

249-252" ... 172

6.3.3

_Intégration

de cette lame _pour des mesures PV ... 177

6.3.4

_Système

à diodes laser ... 178

7 Etude des effets

_{systématiques}

_{d’origine magnéto-optique}

en

exploitant

la

_symétrie

de révolution de

_{l’expérience}

181 7.1

_Objet

du

_chapitre

... 181

7.2 Effets

_{magnéto-optiques}

dans un

champ magnétique longitudinal:

défaut

03B4H

z

(E

z

-

odd) ...

183

7.2.1 Calibrations en

champ H

z

"fort" ... 183

7.2.2 Défaut

_03B4H

_z

_(E

_z

_-

_odd)

... 185

7.3 Utilisation du critère de

_symétrie

de révolution de

_{l’expérience ...}

188

7.4 Effets

_{magnéto-optiques}

dans un

champ

transverse

magnétique

H

~

:

général-ités ... 190

7.4.1 Sources

_potentielles

d’effets

_{systématiques}

... 190

7.4.2 Procédure

_{expérimentale}

_pour l’étude des effets

_{systématiques}

dus à deux défauts ... 191

7.5 Effets

_{magnéto-optiques}

dans un

champ

transverse

magnétique

H

~

:

in-ventaire et méthode

_d’analyse

... 193

7.5.1 Inventaire des effets

_{systématiques}

_possibles

... 193

7.5.2 Mécanismes de création

_{de 03B3*}

₁

par des effets d’interférences entre

amplitudes

Stark ... 195

7.5.3 Les différents

_couples

de défauts

_gênants

... 199

7.5.4

_Signaux

de contrôle en

champ

magnétique

"fort":

procédure "2H

~

403B5"200

7.6 Effets

_{magnéto-optiques}

dans un

champ

transverse

magnétique

H

~

:

étude

expérimentale

... 205

7.6.1 Etude des différents effets dus à l’action combinée de deux

_champs

transverses ... 205

7.6.2 Extraction des

_champs

transverses dans la cellule ... 212

7.7 Etat actuel des défauts de

_champs

_électriques

et

_magnétiques

dans la cellule et niveau des effets

_{systématiques}

_{d’origine magnéto-optique}

cor-respondants

... 219

7.7.1 Défauts de

_{champs électriques}

et

_magnétiques

dans la cellule actuelle ... 219

7.7.2 Niveau des effets

_{systématiques}

_{d’origine magnéto-optique}

... 220

7.8 Conclusion et

_perspectives

sur les effets

systématiques

... 220

7.8.1 Conclusion sur

l’analyse

des effets

systématiques

... 220

7.8.2

_Perspectives

_quant

à la réduction des sources de

champs

dans la cellule ... 221

v

8 Conclusion et

_Perspectives

223 A

_Séquences

de mesure et reconstitution des

_{signaux atomiques}

PV 227

B

_{Compensateurs}

de défauts de

_polarisation

231

C

_Opérations

de

_symétrie

et de rotation sur les

polarisations

ex et pr: critère de sélection

_{supplémentaire}

237 D

_Quelques

effets

_{systématiques possibles}

d’ordre

_supérieur

liés aux

vi

Table

des

_figures

2.1 Détermination

_{phénoménologique}

des constantes de

_couplage

fondamen-tales

_C

₍₁₎

_u

et

C

(1)

d

...

11

2.2

_Echange

du boson neutre entre l’électron de valence et le _noyau de césium. 13 2.3 Schéma

_simplifié

du

_montage

de

_{l’expérience}

de Paris de 1982-83. ... 14

2.4 Niveaux

_atomiques

mis en

jeu

dans

l’expérience

de 82-83... 15

2.5

_{Configuration}

des

_{polarisations}

des faisceaux laser et du

_champ

E

dans

l’expérience

de 82-83... 15

2.6 Sensibilité à un second boson neutre

Z

0’

...

17

2.7 Sensibilité aux

lepto-quarks...

18

2.8 Effet PV

_dépendant

du

_spin

nucléaire:

_couplage

électron-Z

0

vectoriel et

noyau-Z

0

axial... 19

2.9 Effet PV

_dépendant

du

_spin

nucléaire: interactions faibles à l’intérieur du _noyau... 20

2.10 Chiralité de l’aimantation associée au

spin

du _noyau... 20

2.11 Niveaux

_hyperfins

utilisés dans notre

_{expérience...}

21

2.12

_Chronologie

de

_{l’expérience...}

23

2.13 Plans de

_symétrie

de

_{l’expérience}

et effet PV... 24

2.14 Manifestation

_{expérimentale}

du dichroïsme _{créé par} effet

Stark,

conser-vant la Parité... 24

2.15 Détection de l’effet PV _par émission stimulée... 26

2.16 Calibration de l’effet PV... 28

2.17

_{L’expérience}

de Boulder...’ ... 31

3.1 Schéma-bloc de

_{l’expérience...}

38

3.2 Laser excitateur

_impulsionnel

à

_539,4

nm... 40

3.3 Profils du faisceau laser

_impulsionnel

à

_539,4

nm... 42

3.4 Laser sonde

_impulsionnel

à

_1,47

_{03BCm... 44}

3.5 Schéma

_global

des modules de

_{polarisation...}

48

3.6 Schéma d’un basculeur... 50

3.7

_Compensateur

de Babinet-Soleil-Bravais... 54

3.8 Rotations de la lame de

_quartz

kxonde... 55

3.9

_Histogrammes

_typiques

des

_positions

de tir à tir des faisceaux... 60

vii

3.11 Nouvelle version de la cellule à césium à

_champ

_{longitudinal...}

63

3.12

_Photographie

de la nouvelle cellule... 64

3.13 Gradients de

_{champ magnétique}

_statique

sur l’axe de la cellule... 69

3.14 Schéma bloc de la

_{synchronisation}

de

_{l’expérience...}

70

4.1

_Analyseur

du

_polarimètre

sonde... 75

4.2 Variation des axes du cube PBS avec l’inclinaison _moyenne du faisceau sonde... 78

4.3 Mesure de la

_{biréfringence}

03B11

(03A8)

d’une fenêtre de la cellule avant

montage. 103

4.4 Mesure de la

_{biréfringence}

03B11

(03A8)

d’une fenêtre

prismatique

et de l’effet

géométrique qu’elle

induit... 103

4.5 Mesure du dichroïsme linéaire résiduel d’une fenêtre dans la

_{configuration}

P=

ou et

A=(,)...

104

6.1 Schéma

_simplifié

du

_système

à diodes laser... 179

7.1

_Signaux

Hanle et

_Faraday

obtenus dans un

champ magnétique

longitu-dinal

_H

_fort

_z

= 2 G _en fonction de la

fréquence

sonde,

balayée

_sur la structure

_hyperfine

de

_6P

_3/2

_...

184

7.2 Schéma

_simplifié

des courants de conduction dans la cellule... 186

7.3

_Rappel:

les 4 orientations

_possibles

de ex... 188

7.4 _{Notations pour} les différents

_champs

transverses... 193

7.5 Mécanisme de création d’un dichroïsme linéaire en

_présence

d’un

champ

électrique

transverse et d’un

_{champ magnétique}

transverse... 196

7.6 Rotation de

_{l’alignement}

Stark dans un

champ

_magnétique

transverse.. 198

7.7 _{Notations pour} les différents

_champs

transverses

_E

_z

_-

odd et

_E

_z

_-

even. 200 7.8 Vérification de la

_dépendance

de

_type

S

(2)

d’un effet combiné

_H

_~

x

_H’

_~

sur les

_signaux

(E

z

-

even)...

207

7.9 Calibration de l’effet

_03B3*

₁

dû au

champ

électrique

transverse

E

+,ions

~

....

211

1

Chapitre

1

Introduction

1.1

_Objet

de

cette

thèse

L’objet

de cette thèse est de

_présenter

un travail

_{expérimental}

effectué sur

l’ex-périence

de Violation de la Parité en cours à l’ENS. Cette

_expérience

vise à mesurer

précisément

un effet de Violation de la Parité dans l’atome de césium càd une

asymétrie

entre deux

_expériences

_images

miroir l’une de l’autre ou encore

asymétrie

droite-gauche.

Ce

phénomène

est la

_signature

même de l’interaction

_faible,

la seule

_parmi

les

_quatre

interactions fondamentales connues à ce

jour

à ne _pas

_respecter

la

symétrie

miroir.

Cette interaction a lieu

principalement

dans le

couplage

entre l’électron de valence et le _noyau via

_l’échange

du boson vectoriel faible neutre

Z°.

Une mesure de l’effet de Violation de la Parité avec une

précision

de l’ordre de

10

-2

a des

_{conséquences}

im-portantes.

En

_effet,

on

_peut

en extraire une valeur

précise

de la

charge

faible

Q

W

du noyau de l’atome de

césium,

l’équivalent

pour l’interaction faible de la

charge

électrique

du _{noyau pour} l’interaction

_{électromagnétique.}

La valeur de la constante fondamentale

Q

W

est calculable avec

précision

dans le cadre du Modèle Standard. Toute déviation entre valeur mesurée et valeur calculée

_peut

révéler l’existence d’une nouvelle

_physique

au delà de ce

modèle,

et mettre une contrainte sévère à divers modèles concurrents. En

particulier,

les mesures de

_physique

_atomique

sont sensibles à de nouvelles

_particules

prédites

par ces

modèles,

comme un second boson vectoriel faible neutre

Z

0’

,

ou encore les

_{lepto-quarks.}

D’une

_façon

_générale,

les mesures de

physique

atomique

apportent

des

informations

_{complémentaires}

de celles réalisées en

physique

des hautes

énergies,

ce

qui

est assez naturel si l’on considère les 10 ordres de

grandeur

qui

_séparent

les carrés des transferts

_{d’impulsion}

_{(~ l’énergie)}

mis en

_jeu

dans ces deux domaines de la

physique.

Enfin,

des observables nouvelles sont accessibles _par les

_expériences

de

_physique

ato-mique,

notamment le moment

_anapolaire

du noyau de césium

qui

dépend

d’interactions

faibles à l’intérieur même du _{noyau et} se caractérise _par une chiralité de la

magnétisa-tion nucléaire.

La

_première

_expérience

de Violation de la Parité menée à l’ENS a

_permis

d’obtenir en 1982-83 une

précision

de 12

%,

dans des conditions _que l’on

précisera

_par la

suite,

2

en environ 300 heures effectives

d’acquisition

de données. Cette mesure a constitué le

premier

test

_quantitatif

du modèle standard électrofaible aux très basses

énergies.

L’ef-ficacité de détection des atomes de césium contribuant à la mesure de la Violation de la Parité était limitée _par la méthode de détection. Celle-ci était fondée sur

l’analyse

de la

polarisation

de la fluorescence des atomes

_excités,

1

_photon

émis sur 2000 était

détecté,

et il était assez _peu réaliste

d’envisager

des

_temps

d’acquisition plus

longs.

Il fallait donc

_changer

radicalement la méthode de détection _pour

_augmenter

la sensibilité des mesures à l’effet de Violation de la Parité. Une

expérience

de seconde

génération

a alors été _conçue. Elle est basée sur l’utilisation d’une méthode de détection _par émission stimulée sur un faisceau sonde transmis. En

réalité,

la

philosophie générale

de l’ancienne

_expérience

a été conservée

(cf §2.1.4),

mais la nouvelle

expérience

est

com-plètement

différente sur le

plan expérimental,

notamment au niveau de

l’appareillage

et de l’observable caractérisant l’effet Violation de la Parité.

Dans ce nouveau

projet,

un faisceau laser

polarisé

linéairement excite la

transi-tion très interdite

_6S

_1/2

_-

_7S

_1/2

du césium en

_présence

d’un

grand champ

électrique

longitudinal

quasi-statique,

et ceci dans une _vapeur

atomique

assez dense. La _marque de la Violation de la Parité est contenue dans

_{l’anisotropie}

du moment

_angulaire

des atomes

_portés

dans l’état

_7S

_1/2

_.

Cette

_anisotropie

est transférée

_quasi

_{intégralement}

sur un faisceau sonde accordé sur une

_composante

hyperfine

de la transition

_permise

7S

1/2

-

6P

3/2

amplifié

par l’émission stimulée des atomes excités. Pour que

l’asymé-trie violant la

_parité

ne soit pas

complètement

diluée _par l’intensité sonde

incidente,

il faut une sérieuse

amplification

du faisceau

sonde,

ce

qui

nécessite une inversion de

population

entre les niveaux

_7S

_1/2

et

_6P

_3/2

_.

Etant donné le caractère très interdit de la transition

_6S

_1/2

_-

_7S

_1/2

_,

ceci ne

_peut

être réalisé

qu’avec

un faisceau excitateur intense et

_impulsionnel

_(le

faisceau sonde lui aussi est

_{impulsionnel).}

Avec cette

_méthode,

en

principe

tous les atomes excités

_participent

à la détection. L’effet de Violation de la

Parité est une modification de la

_polarisation

sonde transmise par la _vapeur excitée de _{césium que} l’on détecte en

principe

sur fond noir

_grâce

à un

polarimètre

en mode

équilibré.

La

_méthode,

_par le choix de l’observable

_détectée,

_préserve

la sélectivité de la

_détection,

l’atout

_majeur

de la

_{première expérience.}

Réaliser une

expérience

de

polarimétrie pompe-sonde

de haute

_précision

avec des faisceaux

_{impulsionnels,}

dont l’un

_intense,

a

impliqué

le recours à des

technologies

qui

nous étaient nouvelles. Par

ailleurs,

ce

_type

d’expériences

_représente

un

_aspect

nouveau de la

_{spectroscopie}

de

_{polarisation,}

dont l’intérêt n’est _pas limité à la Violation de la Parité. Il est

_déjà

mis en oeuvre _pour des études

expérimentales

de

dynamiques

réac-tionnelles de molécules

_biologiques

_[1].

Une version minimale de

_{l’appareillage,}

ébauchée à la fin du travail de thèse de Michel Lintz

_[2],

et réalisée

_pendant

la thèse d’Etat de

_{Philippe Jacquier,}

a

permis

de tester les

_principes

de base du

_projet

_[3].

_Cependant

en 1991

l’appareillage

était encore loin de

_répondre

aux

_exigences

de fiabilité

_qui

_permettent

_{d’envisager}

une

première

me-sure PV.

Depuis

lors,

un certain nombre d’innovations

importantes, parfois

même une

3

être

_apportés.

Parmi celles-ci on

_peut

citer la mise au

_point

de la

génération

d’un

champ

électrique

longitudinal

très

_homogène

et

_{l’implémentation}

d’un

_système

laser

d’excita-tion fiable et maîtrisé. Il fallait aussi mener

parallèlement

les deux études

primordiales

dans ce _genre

d’expériences:

celle du

_rapport

signal

sur bruit d’une

_part,

et celle des

effets

_{systématiques}

associés aux

imperfections expérimentales

d’autre

_part.

Au cours de cette thèse des

_étapes

_{indispensables}

ont été franchies: comme nous

l’indiquerons

ci-après,

un certain nombre de

problèmes expérimentaux

essentiels ont clairement été

identifiés,

étudiés et des solutions satisfaisantes ont pu être

apportées.

Deux

_grandes

classes de

_problèmes

ont été traitées durant cette thèse. La

_première

concerne la méthode

polarimétrique

elle-même

puis

les effets liés aux défauts des

polari-sations des faisceaux _pompe et sonde. La seconde a trait aux différents

signaux

d’origine

magnéto-optique

dont certains

_peuvent

constituer des effets

_{systématiques.}

Concernant le

_problème

lié à la

_qualité

et à la mesure

_précise

des

polarisations,

c’est la méthode même de

_{polarimétrie}

utilisant des faisceaux laser

_{impulsionnels qui}

a _reçu une amélioration très

importante

_pour nos mesures de l’effet violant la

parité.

Dans le

principe,

cette amélioration est

_transposable

à d’autres

_types

_{d’expériences}

polarimé-triques :

nous en citerons

quelques exemples,

dont certains sont en dehors du domaine de la Violation de la Parité.

Pour ce

qui

est des effets

magnéto-optiques

et du traitement des effets

systématiques

associés,

une

approche générale

et

rigoureuse

a été

entreprise

de

façon

à

analyser

sans omission l’ensemble des diverses contributions

_possibles.

Ceci n’a réellement

_pris

son sens

qu’avec l’adjonction

de deux nouveaux critères de sélection

expérimentaux

à l’effet de Violation de la Parité

_qui

viennent

_compléter

ceux

déjà

exploités.

Ils utilisent sur le

montage

expérimental l’équivalent d’opérations

de

_symétrie

effectuées

_grâce

à des lames demi-ondes

_qui

modifient les

_{polarisations}

des faisceaux _{pompe et} sonde.

Un autre

_aspect

très

_important

du travail

_présenté

ici concerne l’amélioration du

rap-port

signal

sur bruit. Nous avons _pu démontrer

expérimentalement

deux voies

possibles

d’amplification

d’une

_asymétrie

de

_{polarisation,}

l’une est

_"passive"

et utilise un

composant

optique

fortement

_dichroïque,

l’autre est

_"active",

càd

_qu’elle

utilise la

va-peur

atomique

excitée elle-même. En

effet,

l’une des

originalités

de la nouvelle méthode

de détection

_{"pompe-sonde",}

_déjà

_soulignée

dans le

_{projet initial,}

est la

_possibilité

d’am-plifier

non seulement l’intensité

sonde,

mais

aussi,

_par

_propagation

du faisceau sonde dans la _vapeur excitée aux densités

optiques élevées, l’asymétrie

électrofaible elle-même. Pour cela nous tirons

parti

de ce _que le milieu

atomique

excité se

_comporte

comme un

amplificateur

fortement

_anisotrope.

D’autre

_part

deux

_types

de cellule ont _pu être

_exploitées

au cours de cette thèse.

La mise en

place

du second

_type

de cellule

_ayant

la

symétrie

de révolution a constitué un réel

_progrès

_pour réduire efficacement un défaut très

_gênant

_pour cette

_expérience,

l’existence d’une

_composante

de

_champ

_magnétique

_{longitudinale}

se renversant avec le

champ électrique

E

appliqué.

La version actuelle de

_{l’expérience,}

avec son

appareillage

amélioré et les

stratégies

4

contrôler les effets

_{systématiques,}

permettra

une mesure

préliminaire

de l’effet PV avec

une

précision

de 10 _{pour cent.} Elle constituera

déjà

une

_étape

intéressante en

permet-tant de _recouper les résultats des

_premières

mesures. Aller

au-delà,

vers une

précision

de un _pour

_cent,

nécessite au

préalable:

1)

d’apporter

des modifications sur les nouvelles

cellules en cours de

construction,

et

2)

une

augmentation

du

_rapport

signal

sur bruit

en

exploitant

toutes les

possibilités d’amplification

étudiées au cours de cette thèse.

1.2

Plan

Dans un

premier

chapitre

de

présentation

(ch. 2),

nous allons brièvement situer

l’expérience

PV actuelle dans son contexte

historique

en

rappelant

le

principe

et les résultats de la

_{première expérience}

de l’ENS. Nous _exposerons ensuite les motivations pour une nouvelle

expérience

PV

plus précise.

Malgré

un enrichissement très net de nos connaissances venu des

expériences

des hautes

énergies,

ces motivations demeurent très fortes tant il est incontestable _que les

_expériences

de

_physique

_atomique

ont à appor-ter des informations

_{complémentaires}

de celles des hautes

_énergies.

Nous décrirons

ensuite le

_principe

de

_{l’expérience}

actuelle et nous discuterons des différents

_aspects

originaux

de notre méthode de détection.

La mise en oeuvre effective du nouveau schéma

expérimental

doit se

plier

à un

cer-tain nombre

_{d’exigences}

liées notamment au caractère nécessairement

impulsionnel

de

l’expérience,

et à

_{l’application}

d’un

_{grand champ électrique longitudinal}

dans la cellule à césium. Le

_chapitre

3 _expose les solutions

_qui

ont _{pu être}

_apportées

_pour

_remplir

ces conditions et décrit les différents éléments du

_montage

_{expérimental.}

Bien _que le

principe

de

_{l’expérience}

soit resté essentiellement le même

_depuis

la fin de la thèse de

Philippe Jacquier, chaque

élément du

_montage

ou _presque a été

_repensé

et modifié

de-puis

sa version

originale.

On décrira notamment la cellule à césium d’un nouveau

_type

mise en

place

en Avril 96

qui

a

_représenté

un

_progrès

très

important

_pour la maîtrise des effets

_{systématiques.}

Dans le

_chapitre

_4,

nous considèrerons le fonctionnement du

polarimètre

sur le fais-ceau sonde non

amplifié,

càd sans l’excitation de la transition

6S

1/2

-

7S

1/2

.

Dans le cas idéal les

_signaux

du

_polarimètre

reflètent exactement les modifications de

_polarisation

du faisceau sonde. En réalité ces

signaux

_peuvent

avoir des contributions

indépendantes

de la

_{polarisation.}

Plusieurs sources d’effets ont été mises en évidence. Par

exemple

l’analyseur

du

_polarimètre

est sensible aux variations de

géométrie

du faisceau laser.

On nommera ces effets

"géométriques"

_par

opposition

à de vrais effets de

polarisation.

Une méthode

_originale

a été mise en oeuvre _pour éliminer ces effets. Elle utilise le bas-culement d’une

_simple

lame demi-onde

_juste

devant

_{l’analyseur}

du

_{polarimètre.}

Grâce

à cette nouvelle

_signature

il a été

_possible

d’obtenir un excellent "zéro" du

polarimètre,

à mieux _que

10

-6

radian

_près:

des

_signaux

de

_polarisation

dus à des atomes excités se

détachent sur fond noir à mieux _que

10

-6

radian

_près.

Une autre

_conséquence

impor-tante a été la mise en

place

de

procédures d’ajustement

des défauts des

optiques

et des défauts

_{géométriques beaucoup plus}

satisfaisantes. Dans la mesure du

possible

nous

5

avons aussi

_essayé

de

comprendre

les

_avantages

et les inconvénients du mode

équilibré

utilisé _par

_rapport

au

polarimètre

entre

polariseur

et

analyseur

_presque croisés

qu’ex-ploite

bon nombre d’autres

_expériences

PV.

Le

_chapitre

5 traite de

_{l’ajustement}

des défauts de

_polarisation

des

_composants

optiques

sur les faisceaux _pompe et sonde cette fois-ci en

présence

d’atomes excités. Une difficulté non

négligeable

est liée à la

présence

d’une

grande

anisotropie

du milieu

atomique

amplificateur.

On

_peut

orienter la

_polarisation

_plane

du faisceau sonde de

manière à ce

qu’elle

ne détecte _{pas cette}

anisotropie qui

conserve la Parité.

Toutefois,

du fait de cette

_anisotropie,

le

_polarimètre

devient sensible à des défauts de

polarisa-tion des faisceaux _pompe et sonde situés en amont de la _vapeur

atomique.

Les

signaux

d’origine

atomique qui

leur

_{correspondent}

_peuvent

être relativement

_grands

et nous écarter des conditions de détection sur fond noir. Ils

_peuvent

aussi être une source de bruit

_{supplémentaire}

et même être

_responsables

d’un effet

_{systématique,}

dont on

_peut

cependant

s’affranchir. Il

_s’agit

donc ici d’annuler les défauts de

_polarisation

vus _par les atomes et non _pas ceux détectés _par le

polarimètre.

A l’issu de cette étude nous

pouvons montrer que les défauts de

polarisation

ne constituent

plus

à l’heure actuelle un réel

problème,

qu’il s’agisse

du

_rapport

signal

sur bruit ou bien encore des effets

systématiques.

Le

_chapitre

6 concerne l’étude des différentes voies

envisagées

_pour

_augmenter

la sensibilité de

_{l’expérience}

à

_{l’asymétrie droite-gauche}

violant la Parité. Ce dernier ef-fet bénéficie d’un

_phénomène

tout à fait

_original

dans le domaine des

_expériences

_PV,

il

_s’agit

de

_{l’amplification}

non-linéaire d’une

_asymétrie

de

_{polarisation.}

Cette

possibi-lité

_{d’amplification}

avait été

_soulignée

très

_tôt,

mais elle bénéficie

_depuis

_peu

_[4]

d’un

support

théorique approfondi.

Ceci

_permet

désormais

_{d’exploiter systématiquement}

ce

phénomène

d’amplification

pour

optimiser

le

rapport

signal

sur bruit. Ce

phénomène,

très

_simple

dans son

principe,

est dû à ce _que le milieu

atomique

excité se

_comporte

comme un

amplificateur

anisotrope.

Le

principe

de

l’amplification

d’une

asymétrie

de

polarisation

est

_exposé

et mis en évidence clairement sur un

signal

de calibration

ana-logue,

de _par ses

propriétés optiques,

au

signal

PV. Les résultats sont en accord avec l’étude

_théorique

détaillée. Une

extrapolation

de cette

_{amplification}

montre _que l’on devrait

_pouvoir

tirer meilleur

_parti

encore de cette

_{amplification.}

L’étude des divers

pa-ramètres mis en

jeu

dans cette

_{amplification}

se révèle décisive _pour l’obtention future d’une sensibilité suffisante à l’effet PV en vue de mesure

précise

à un _pour cent.

Nous décrivons ensuite une deuxième méthode mise en oeuvre _pour

amplifier

l’effet

PV,

cette fois-ci par le biais d’un

composant

optique

fortement

dichroïque

passif

placé

en sortie du milieu

amplificateur.

_Exploiter

cette méthode _pour

_augmenter

le

_rapport

si-gnal

sur bruit

requiert

au

_préalable

un accroissement notable de la

puissance

du faisceau sonde

_{impulsionnel.}

C’est

_l’objet

d’un

_système

à diodes laser en cours de construction dont nous donnerons seulement le

_principe.

Dans le dernier

_chapitre

_(7),

nous

_présentons

l’étude d’effets

_{magnéto-optiques}

dus à des

_composantes

de

_{champs magnétiques}

H

transverse et

_{longitudinale,}

et sur le sys-tème

_6S

_1/2

_-

_7S

_1/2

_-

_,

_3/2

_6P

dont

_{l’originalité}

émane du caractère fortement interdit de

6

la transition d’excitation. Ceux-ci

_peuvent

être source d’effets

systématiques

sans faire

intervenir de défauts de

_polarisation

des faisceaux. On ne saurait ici être vraiment ex-haustif

_quant

à l’ensemble des effets

_{systématiques possibles puisque}

cette étude n’est

pas encore véritablement achevée.

Néanmoins,

on

présentera

les méthodes mises en oeuvre _pour

découvrir, analyser

et éliminer ces effets.

Au

_préalable,

nous décrivons le nouveau critère de sélection mis en

place

récem-ment,

qui

utilise la rotation simultanée des

_{polarisations}

_pompe et sonde autour de la direction de

_propagation

des faisceaux. Il est basé sur l’invariance de l’effet PV dans

cette rotation. En

_{règle générale,}

les effets

_{systématiques}

discutés

_ici,

liés à des

_champs

magnétiques

et

_électriques

_transverses,

ne sont _pas invariants _par rotation

simultanée

des

_{polarisations}

des faisceaux laser excitateur et sonde. Cette

_signature

est donc extrê-mement utile _pour identifier les différents

_types

d’effets

_{magnéto-optiques}

_gênants.

Elle nous a

permis

de mettre en évidence sans

ambiguïté

des

champs parasites

corrélés avec

l’application

du

_champ

_électrique

dans la cellule à

_césium,

et d’estimer leurs

_grandeurs

et directions. Enfin on établira un état des lieux des effets

systématiques

et des diverses solutions en cours _pour s’affranchir de ces effets ou tout du moins les réduire.

7

Chapitre

2

Les

_expériences

de

Violation

de la

Parité dans l’atome de césium.

Principe

de

_{l’expérience}

actuelle

à

l’ENS

2.1

La

Violation

de la

Parité

dans

l’atome

de

césium

2.1.1

_{Principe général}

d’une

_expérience

de

Violation de la

Pa-rité

Le

_principe

d’une

_expérience

cherchant à tester la Violation de la Parité

_(PV)

est en fait très

_simple.

Si deux

_expériences

_images

l’une de l’autre dans un miroir ne donnent

pas des résultats eux aussi

_{image-miroir,}

alors il _y a Violation de la Parité.

L’opérateur

parité

change

r en -r

(inversion

des coordonnées

d’espace)

et

_s’exprime

aussi comme le

_produit

d’une rotation de 03C0 autour d’un axe et d’une réflexion dans un miroir

plan,

perpendiculaire

à cet axe. Comme toutes les interactions connues sont invariantes _par

rotation,

une violation de la

symétrie

miroir est la manifestation d’une violation de la

symétrie

par réflexion

d’espace.

Les

équations

de Maxwell étant invariantes par réflexion

d’espace,

l’interaction

_{électromagnétique}

conserve la

parité

(P).

Il en va de même _pour

l’interaction forte et la

_gravitation.

En fait l’interaction faible est la seule interaction connue

qui

ne soit _pas invariante dans cette

_opération

de

_symétrie.

L’observation d’une Violation de

_P,

càd une

asymétrie

"droite-gauche",

dans une

expérience

de

physique

atomique

est en

pratique

révélatrice de l’intervention de l’interaction faible. Les effets de Violation de P

_sont,

comme nous allons le

voir,

excessivement

petits,

même dans les circonstances les

_plus

favorables retenues _pour les observer. Si l’on

_peut

les

_observer,

c’est

_{précisément}

_grâce

à cette

_{caractéristique}

très

_{particulière}

de l’interaction

faible,

qui

viole P. De la

_sorte,

_plutôt

_que de mesurer une

petite

correction sur une

grandeur,

on cherche à voir un effet

_qui

n’existerait _pas en l’absence de l’interaction faible.

8

2.1.2

_Historique

Les interactions faibles et la Violation de P. Nous allons très brièvement retracer

l’historique

de l’étude des

_phénomènes

PV. On _{pourra trouver} une revue des différentes

expériences

dans

_[5].

Ici il

_s’agit

essentiellement de situer

_{l’expérience}

de

_{l’ENS, qui}

fait

l’objet

de cette

_thèse,

dans son contexte et d’en

_présenter

les motivations. Nous allons donner le

_principe

des

_expériences

_par

_{fluorescence,}

et notamment de la

_première

ex-périence

de l’ENS. Un des buts de cette

_{présentation}

est de montrer la différence entre

ces

expériences

et le nouveau schéma de détection de

l’expérience

actuelle à

_l’ENS,

en

indiquant

son

origine.

En

_1956,

Lee et

_{Yang, analysant}

les résultats très déconcertants relatifs à la

désin-tégration

des mésons

_K,

_suggèrent

comme

_possibilité

la Violation de la Parité dans les

processus de

désintégration,

et

plus

généralement soulignent quels

tests

expérimentaux

pourraient

être réalisés _{pour tester} la Violation de P dans les interactions faibles

_[6].

Dès 1957 C.S.Wu

_[7]

démontre

_{expérimentalement}

ce

phénomène

dans la

désintégration

03B2

de noyaux orientés de cobalt

60,

où interviennent des courants faibles

chargés.

Mais les interactions faibles connues à cette

_époque

sont

incompatibles

avec la stabilité de l’atome. Dans ces conditions il

n’y

a _pas lieu

d’envisager

une Violation de P dans les atomes stables.

Cependant

la

_{compréhension}

_théorique

des interactions faibles était

mathématique-ment

_{insatisfaisante,}

ceci

_jusqu’à

la fin des années

_60,

_{quand Glashow, Weinberg}

_[8]

et Salam

_[9]

_{indépendamment suggérèrent}

_que l’interaction

_{électromagnétique}

et

l’in-teraction faible

_pouvaient

être

_comprises

comme des manifestations différentes d’une interaction

_unique,

_qualifiée

d’électrofaible. En

_1971,

’t Hooft

_{[10], [11]}

démontra la re-normalisabilité du Modèle Standard électrofaible

_qui

unifie les interactions

électroma-gnétique

et

_faible,

ce

qui

revient à _prouver l’existence d’un

développement

perturbatif

convergent

comme dans

l’électrodynamique quantique.

Le calcul des effets d’ordres

su-périeurs

rendu ainsi

_possible

a eu _par la suite des

implications

très

importantes. Ainsi,

il a

permis

une évaluation de la masse du

quark

_top

avant même son observation di-recte à Fermilab. L’une des

_prédictions

essentielles de cette unification électrofaible est l’existence de courants faibles neutres faisant intervenir un nouveau boson faible

élec-triquement

neutre

Z°.

Les interactions avec

échange

de

Z

0

,

ou courants

_neutres,

sont

compatibles

avec la stabilité de

l’atome, puisque

les

particules

en interaction

_pouvent

échanger

ce boson neutre sans

perdre

leur identité. On

pouvait

alors

_espérer

mettre en évidence ce nouveau boson dans une

expérience

de

physique

atomique,

en utilisant cette

signature

de l’interaction faible

_qu’est

la Violation de P.

_{L’intérêt, toujours actuel,}

de cette

_approche

est _que l’on teste le Modèle Standard dans des domaines

_d’énergie

très

différents de ceux

auxquels

on a accès dans les

expériences

de

physique

des

particules.

La

_physique

_atomique

_permet

en fait d’accéder à des informations

_{complémentaires}

de celles obtenues dans les accélérateurs de

_particules.

Les courants faibles neutres fu-rent observés _pour la

_première

fois dans des

_expériences

de diffusion de neutrinos en

1973,

utilisant la chambre à bulles

_{Gargamelle. Toutefois,}

ce

_type

d’expérience

ne per-met _pas en fait de tester le caractère de Violation de P.

9

Avant même l’observation des courants neutres dans les

_expériences

_neutrinos,

M.A.

et C. Bouchiat se sont intéressés à l’effet des courants neutres dans les atomes. En

_1973,

ils ont montré

_qu’un

tel effet de Violation de P dans les atomes croît un _peu

plus

vite

que le cube du numéro

atomique

[12], [13].

Ce fut le

point

de

départ

d’un ensemble

d’expériences

de _par le monde sur des atomes lourds comme le

césium,

le

plomb,

le

thallium,

avec des schémas de détection différents. L’effet PV à mesurer reste

néan-moins encore extrêmement

petit.

Par

ailleurs,

il est

important qu’une

mesure d’un effet PV soit

_{interprétable quantitativement}

en terme de test du Modèle Standard. De _par sa relative

_simplicité,

l’atome de césium

_joue

un rôle

privilégié.

Une

première expérience

PV fut alors

_entreprise

à l’ENS de Paris dans cet atome.

En 1978 une interaction

électron-noyau

à courants faibles neutres fut mise en évi-dence à SLAC dans une

expérience

de diffusion fortement

inélastique

électron-deutéron

[14], [15].

L’expérience

de l’ENS aboutit

_quant

à elle en 1982-1983

[16], [17]

à la

première

mesure

quantitativement

significative

d’une interaction faible

électron-noyau

dans les atomes. Cette mesure d’un effet de Violation de la Parité

qui

a atteint une

précision

de

12

%

et

_qui

n’était entachée _que d’une incertitude de 5

%

par

l’interprétation théorique

de

_{physique atomique,}

_représente

le

_premier

test

_quantitatif

du modèle standard à basse

énergie.

C’est dans la même

_période

_que le boson faible

Z

0

fut

_produit

directement au

CERN dans les collisions

_{protons-antiprotons}

_{[18], [19], [20].}

Potentiel

V

PV

et

_asymétrie

_{droite-gauche.}

Dans la limite

_{non-relativiste,}

l’effet de l’interaction faible Violant P entre l’électron et le _noyau d’un atome alcalin

_peut

être décrit au

_premier

ordre _par un

potentiel

effectif

V

PV

:

où

_G

_F

est la constante de

_{Fermi, 03C3}

_e

_{· 03C5}

_e

l’hélicité de l’électron et

_Q

_W

_la

_charge

faible du noyau. Le

potentiel

V

PV

décrit

l’échange

d’un boson

Z

0

,

qui

se

couple

vectoriellement au

noyau de

césium,

et axialement à l’électron de

valence,

en faisant intervenir le

pseudo-scalaire

_03C3

_e

_·

_03C5

_e

_.

La masse du boson neutre

Z

0

étant très

_élevée,

91

_GeV/c

₂

comme nous

le savons maintenant

depuis

les mesures

précises

effectuées au CERN

[21],

la

_portée

de l’interaction faible est excessivement

_courte,

et l’interaction entre l’électron et le _noyau est

_quasiment

_ponctuelle

au niveau du _noyau, ce

qu’exprime

la fonction

03B4

3

(r

e

)

dans

l’équation

(2.1).

C’est _pour la même raison _que l’effet de l’interaction faible est très

petit,

comme le traduit la

_présence

de la constante de Fermi

_G

_F

_:

La

_charge

faible

_Q

_W

_joue

_pour l’interaction faible le même rôle _que la

_charge

élec-trique

Ze _pour l’interaction

_{électromagnétique.}

Ce

_paramètre

est

_prédit

très

_{précisément}

par le modèle standard électrofaible. Pour extraire

Q

W

de l’observable

mesurée,

des cal-culs

_précis

de

_{physique atomique}

sont nécessaires. Il est donc

_préférable

de choisir un