Biréfringence Magnétique du Vide

Responsable :
LNCMP :
LCAR : B. Pinto da Souza , Mathilde Fouché , Cécile Robilliard ,
Carlo Rizzo

Notre programme scientifique 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 : le projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide). Ce projet est basé sur l'utilisation de champs magnétiques pulsés très intenses, développés au LNCMP, et d'un appareil optique très sensible pour la détection des effets induits par ce champ sur un faisceau laser, développé au LCAR-IRSAMC en collaboration avec le LMA-VIRGO de l'IN2P3 de Lyon.

 

1. Objectifs et contexte

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

Fig. 1 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 vu par une onde polarisée parallèlement au champ magnétique est différent de l'indice vu par une onde polarisée perpendiculairement au champ magnétique. La différence 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 . 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 du professeur Zavattini a récemment annoncé 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.

En effet, en 1986, Maiani, Petronzio et Zavattini ont montré que l'existence d'une hypothétique particule sans spin, neutre, scalaire ou pseudo scalaire, pouvait induire une ellipticité et un dichroïsme sur une onde polarisée linéairement à la traversée d'un champ magnétique transversal [ 3 ]. Cela s'explique par le fait qu'un photon, suivant sa polarisation, peut se transformer en une de ces particules virtuelle (apparition d'une ellipticité) ou réelle (dichroïsme). C'est le cas en particulier pour l'axion. Ce boson, introduit en 1977 pour résoudre le strong CP problem, est l'un des constituants les plus crédibles de la matière noire. Les mesures de l'ellipticité induite et de la rotation apparente induite permettent de déterminer la masse de la particule et sa constante de couplage avec le champ électromagnétique. En pratique, cela revient à créer de la matière noire dans le champ magnétique et à la détecter par des méthodes optiques.

En suivant cette idée, une expérience a été menée au Brookhaven Laboratories (USA), dont les résultats ont été publiés en 1993 [ 4 ]. Les résultats concernant le vide furent compatibles avec un effet nul (il leur manquait cinq ordres de grandeur par rapport aux prédictions de l'EDQ). Toutefois, les auteurs ont pu donner une limite sur la masse ( eV) et sur la constante de couplage ( GeV ) de la particule hypothétique. Ces limites ont été confirmées par une expérience de photo-régénération menée dans ce même groupe de recherche à Brookhaven. Ce type d'expérience repose sur la possibilité pour le photon d'être converti en particule de type axionique lors de son passage dans un champ magnétique transverse. Les photons non convertis peuvent alors être stoppés par un obstacle tandis que les particules axioniques, très peu couplées avec la matière ordinaire, continuent leur trajet. Ensuite, celles-ci peuvent être reconverties en photons à travers un champ magnétique transverse. Ces photons sont alors détectés dans une région où aucune lumière n'est présente sans l'action du champ magnétique.

En 1991, une nouvelle tentative a été lancée (le projet PVLAS [ 5 ] mentionné plus haut) pour mesurer la biréfringence magnétique du vide et pour tester l'existence des particules axioniques. Très récemment, cette équipe a publié un effet de rotation apparente 4000 fois supérieur à celui prédit par l'EDQ [ 6 ] . Les auteurs suggèrent comme explication pour cette rotation l'existence d'une particule axionique dont la masse serait d'environ eV et la constante de couplage de l'ordre de GeV . Si cela était confirmé, ce serait la première observation de la matière noire en laboratoire !

Dès que ces résultats ont été publiés, ce domaine a connu un regain d'intérêt considérable. Toutefois, les résultas de PVLAS sont en contradiction avec la recherche des axions solaires, et en particulier les résultats de l'expérience CAST (Cern Axion Solar Telescope) au CERN [ 7 ]. Cette expérience utilise un aimant permanent de 10 m de long orienté vers le soleil pour convertir les éventuels axions solaires en photons X. Or, d'après les résultats de CAST, les axions solaires ne peuvent pas se trouver dans la région de masse et de constante de couplage observée par PVLAS ! Pour faire concorder les deux résultats, il faudrait changer la nature de l'interaction des axions avec la matière et justifier ainsi leur éventuel confinement à l'intérieur du soleil. Le problème est très ouvert et une confirmation expérimentale des résultats italiens est capitale.

Du point de vue expérimental, différentes propositions d'expériences ont vu le jour depuis lors. Au CERN, un projet similaire au nôtre, mais utilisant un aimant décommissionné du LHC, a été proposé [ 8 ]. A DESY (Hambourg), une proposition utilisant des aimants décommissionnés de HERA ainsi qu'un laser à électrons libres (European Xray Laser) a également été faite [ 9 ]. Les impulsions ultra courtes sont aussi candidats pour créer des champs magnétiques intenses [ 10 ].

Malgré ce regain d'intérêt de la communauté scientifique mondiale, nous restons à ce jour l'équipe la mieux placée pour confirmer ou non les résultats de l'équipe italienne dès 2007.

 

2. Description du projet

2.1 Introduction

Le projet toulousain repose sur les compétences de trois laboratoires, dont deux sur le site toulousain (LCAR et LNCMP).

Notre projet repose sur l'utilisation d'une cavité Fabry Perot approchant une finesse de 1 000 000 et d'un aimant pulsé pouvant fournir un champ magnétique transverse de 25 T sur une distance de 1 mètre. Avec ces paramètres expérimentaux, l'ellipticité à mesurer est de l'ordre de , soit 100 fois plus grande qu'avec les paramètres expérimentaux de l'expérience PVLAS (finesse de 70 000, champ magnétique de 5 T sur 1 mètre). Dans son stade final, notre expérience devrait être capable d'observer pour la première fois la biréfringence magnétique du vide prédite par l'EDQ.

Le site toulousain est idéalement placé pour réaliser cette expérience. D'un côté le LCAR est en charge du développement et des tests optiques de l'expérience, en collaboration avec le Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA, Villeurbanne) qui leur fournit des miroirs de très grande qualité (il s'agit de miroirs aux performances similaires à ceux utilisés pour l'interféromètre à ondes gravitationnelles VIRGO), de l'autre côté le LNCMP développe un aimant pulsé transverse afin d'obtenir le plus grand champ magnétique possible. L'expérience est en construction au LNCMP où nous avons fait aménager l'an passé une salle à empoussierement contrôlé afin de pouvoir utiliser nos miroirs sans les polluer. Le montage de l'expérience va débuter dans le courant du mois de mai 2006.

 

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 LNCMP 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. Notre but est donc de réaliser un aimant pulsé pouvant délivrer un champ transverse de 25 T. Ceci n'a encore jamais été réalisé. En effet, à de tels champs l'aimant subit de très fortes contraintes. La pression correspondante est de 250 MPa (2,5 tonnes/cm ). Après plusieurs tentatives nous avons développé et testé un aimant basé sur une géométrie en X, appelé X-coil (Fig. 2).

Fig. 2 X-coil

La longueur de l'aimant prototype est de 25 cm. Nous sommes parvenus à obtenir 14,3 T avec cet aimant (Fig. 3), soit un produit de 28 T m . De plus, nous avons veilli un de ces aimants pour tester sa résistance mécanique. Nous sommes ainsi parvenus à effectuer 100 tirs à 11,5 T puis 100 tirs à 12,5 T (soit 21 T m ) sans observer de changement dans la structure de la bobine. La cadence des tirs était de 5 tirs par heure. Grâce à ces tests concluants, nous disposons d'un aimant dont les caractéristiques en terme de sont similaires à l'expérience italienne. De plus nous prévoyons d'utiliser 2 aimants de ce type sur l'expérience pour doubler l'effet. Les premiers tirs en salle "propre" ont été effectués en automne 2006 et ont permis de réaliser les premiers tests de bruit et de vibration.

2.3 L'optique

La seconde partie du projet concerne l'optique. Pour cette partie tout aussi capitale de l'expérience, ce sont les compétences d'opticiens du LCAR qui sont utilisées.

L'ensemble des systèmes optiques a été dessiné au LCAR. Un système de très haute précision pour la translation et la rotation sous vide des miroirs de la cavité Fabry Perot a été conçu, et sa fabrication est achevée. Les enceintes à vide ont été assemblées au LCAR afin d'y mener les premiers tests. En 2004, un premier essai avait montré qu'on ne pouvait pas atteindre des finesses supérieures à 50 000 dans notre cavité à cause de la poussière environnante. Depuis, nous nous sommes dotés d'enceintes à empoussièrement contrôlé et nous sommes parvenus à manipuler les miroirs fabriqués par le LMA sans les salir. Enfin, nous avons développé un système d'asservissement que nous avons déjà testé sur des cavités linéaires (longueur 0,6 m) et en anneau (longueur 2,4 m). Nous avons par exemple mesuré l'effet Kerr de l'oxygène moléculaire afin de bien déterminer notre sensibilité expérimentale [ 11 ]. Nous avons ainsi mis en oeuvre le système qui fonctionne aujourd'hui très bien.

Nous sommes donc en mesure tester de nouveaux miroirs dès le mois de mai dans la salle propre du LNCMP. Ces miroirs sont en cours de fabrication au LMA et ils devraient avoir des caractéristiques correspondant à une finesse supérieure à 500 000. L'observation d'une telle finesse serait une première mondiale.

 

2.4 Dispositif expérimental

L'expérience a été installée au LNCMP au mois de mai 2006. Une salle propre y a été réalisée (Fig. 5). Son accès est réservé aux membres de l'équipe totalement équipés, afin de minimiser la pollution. 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.

Fig. 5 Salle propre au LNCMP

La Figure 5 montre un schéma du dispositif expérimental. Les chambres à ultra-vide sont placées sur une table optique de 3,6 m. La longueur de la cavité optique est de 2 m. Nous voyons également deux cryostats dans lesquels sont placés les deux aimants. Ces cryostats sont mécaniquement découplés de la cavité optique par une structure en acier inoxydable.

Fig. 6 Inverse de la constante de couplage en fonction de la masse de la particule. Les domaines situés sous les courbes désignent les zones pour lesquelles les caractéristiques d'une hypothétique particule sont exclues.

La difficulté de cette expérience nous impose de devoir réaliser des premières mondiales tant pour la cavité optique (finesse supérieure à 300 000) que pour le champ magnétique.

 

3. Planning

Après quelques années de développement et de tests, nous sommes finalement prêts à mettre en commun le savoir-faire des deux laboratoires pour assembler les deux parties de l'expérience et prendre les premières mesures. Nous disposons de paramètres expérimentaux plus favorables que ceux de l'expérience italienne PVLAS et nous sommes confiants dans le fait de pouvoir confirmer ou non leurs résultats dans le courant de l'année 2007.

Parallèlement à cela, nous continuerons à développer de nouveaux aimants afin d'atteindre un champ magnétique de 25 T. Une modélisation 3-D est en cours au LNCMP afin de mieux comprendre les contraintes appliquées à la structure de l'aimant.

La figure 6 représente les régions dans lesquelles une particule axionique ne peut pas exister dans un plan (masse de la particule) - (1/constante de couplage). La partie située sous la courbe rouge indique la région exclue par l'expérience faite à Brookhaven, la courbe bleue (BMV) correspond aux prévisions d'une journée d'enregistrement sur notre expérience (et donnant une ellipticité mesurée de zéro), et la croix noire indique les valeurs compatibles avec l'expérience PVLAS. Après une journée d'enregistrement nous devrions donc être capables d'exclure ou de confirmer ce point.

 

[ 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 ] L. Maiani, R. Petronzio and E. Zavattini, Phys. Lett. B 175 , 359 (1986).

[ 4 ] R. Cameron et al , Phys. Rev. D 47 , 3707 (1993).

[ 5 ] D. Bakalov et al , Hyperfine Interactions 114 , 103 (1998).

[ 6 ] E. Zavattini et al , Phys. Rev. Lett. 96 , 110406 (2006).

[ 7 ] K. Zioutas et al , Phys. Rev. Lett. 94 , 121301 (2005).

[ 8 ] L. Duvillaret, M. Finger, M. Kral, P. Pugnat, A. Siemko and J. Zicha, CERN/AT 2005-9 (MTM).

[ 9 ] R. Rabadan, A. Ringwald and K. Sigurdson, Phys. Rev. Lett. 96 , 110407 (2006).

[ 10 ] A. N. Luiten and J. C. Petersen, Phys. Rev. A 70 , 033801 (2004).

[ 11 ] F. Bielsa et al , Eur. Phys. J. D 36 , 261 (2005).