Photorégénération de bosons de faible masse

Expérience du "mur brillant"

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

Cette expérience est complémentaire de la mesure de la biréfringence du vide. Ce projet donnera une réponse directe et rapide aux questions soulevées par les résultats récents de l'équipe italienne PVLAS [ 1 ]. En effet , l'interprétation la plus plausible de leurs mesures d'ellipticité et de dichroïsme du vide sous champ magnétique est l'existence d'une nouvelle particule bosonique neutre, sans spin, de faible masse.

Notre projet consiste à faire passer un faisceau laser le plus intense possible dans une première bobine pulsée, où seraient créées des particules bosoniques de faible masse (PBFM). Un mur arrête ensuite le faisceau laser mais laisse passer les PBFMs, qui peuvent alors se reconvertir dans un deuxième aimant pulsé placé juste derrière. Concrètement, le projet combine de façon presque idéale le laser Nano 2000 du LULI (Palaiseau), les bobines pulsées développées au LNCMP et un compteur de photons uniques commercial adapté à nos besoins.

 

1. Introduction

1.1. Matière noire et axion

En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises et explorées sur la composition de cette hypothétique matière noire : gaz moléculaire, étoiles mortes, naines brunes en grand nombre, trous noirs... Cependant, les observations impliqueraient plutôt une nature non-baryonique encore inconnue.

Une bonne candidate à cette matière noire serait une particule bosonique de faible masse (PBFM), l'axion, qui serait neutre, sans spin, stable et qui interagirait très peu avec la matière — une particule donc pratiquement indétectable.

1.2. Tentatives actuelles de détection des axions

Différents programmes ont été lancés par de grands laboratoires internationaux pour tenter de détecter des axions :
 le CAST (Cern Axion Solar Telescope) du CERN à Genève, dont l'objectif est de détecter des axions solaires [ 2 ].
 l'expérience italienne PVLAS . Le but initial de cette expérience était d'étudier précisément la propagation de la lumière polarisée dans le vide en présence d'un champ magnétique. Or, l'existence d'une PBFM induirait sous champ magnétique une ellipticité et un dichroïsme sur un faisceau laser polarisé. Les résultats publiés très récemment [ 3 ] sont étonnants : une rotation apparente de la polarisation de la lumière a été observée alors qu'elle n'est pas prévue par l'électro-dynamique quantique, ce qui serait expliqué au mieux par l'existence d'une PBFM.
 le projet BMV de Carlo Rizzo à Toulouse pour la mesure de la biréfringence magnétique du vide, dont le principe est analogue au projet PVLAS. Ce projet parviendra en 2007 à une sensibilité supérieure à celle de PVLAS.
 la photorégénération de bosons de faible masse . Différents groupes, comme le Jefferson Lab aux Etats-Unis [ 4 ] ou le CERN à Genève [ 5 ], se sont récemment lancés dans ce type d'expérience. Ces projets, par l'observation expérimentale directe de PBFM, sont complémentaires des projets tels que PVLAS et BMV.

 

2. Expérience de photorégénération de bosons de faible masse

2.1. Création de PBFM

A l'inverse du projet BMV qui ne révélerait qu'indirectement l'existence d'une PBFM, l'expérience que nous mettons en place permettra de la détecter directement. Une particule pseudoscalaire ou scalaire, neutre et de spin nul, couplée à deux photons, peut être créée par effet Primakoff à partir d'un photon qui se propage en présence d'un champ magnétique transverse. Il serait donc possible de convertir un photon interagissant avec un photon virtuel d'un champ magnétique en une PBFM, et réciproquement. La probabilité de conversion attendue est :

,

avec l'énergie d'un photon du faisceau laser, la masse de la PBFM, la longueur parcourue par un photon dans le champ magnétique et l'inverse de la constante de couplage.

2.2. Principe de l'expérience

Le principe de l'expérience est simple. Il est présenté sur la Figure 1. On fait passer un faisceau laser dans une bobine créant un champ magnétique transverse. Un certain nombre de photons sont alors convertis en PBFM avec une probabilité P. A la sortie de la bobine se trouve un écran. Celui-ci permet de stopper les photons, mais laisse passer les PBFM qui interagissent très peu avec la matière. Une seconde bobine, identique à la première, placée derrière l'écran reconvertira une partie des PBFM en photons. Ceux-ci auront la même fréquence que les photons initiaux. Ils pourront alors être comptés avec un détecteur approprié.

Schéma de l'expérience

2.3. Les besoins expérimentaux

Les besoins spécifiques de l'expérience sont les suivants :
Un laser puissant  : Il est nécessaire d'avoir un nombre de photons initial le plus important possible, ceci afin d'avoir un nombre de photons régénérés le plus grand possible. Nous avons donc besoin d'une source puissante, dans une gamme de longueur d'onde où l'efficacité de détection sera bonne. Notre choix s'est porté sur la chaîne Nano 2000 du LULI à Palaiseau qui peut fournir 1.5 kJ sur 5 ns à 1,05 nm, ce qui correspond à photons par tir laser. Avec 4 tirs par jour, une semaine de mesures suffira pour confirmer ou infirmer les résultats italiens.
Un détecteur de photons sensible  : Nous avons testé en octobre 2006 un compteur de photons uniques basé sur une photodiode à avalanche, commercialisé par la firme Princeton Lightwave Instruments. Nous avons obtenu lors des tests une efficacité de détection globale de 40 % pour un bruit d'obscurité acceptable, et avons commandé une version personnalisée de ce détecteur, avec une photodiode et une fibre optique plus adaptées à nos besoins. La livraison est attendue pour le début du mois de février.
Un champ magnétique intense  : La probabilité de conversion étant quadratique en champ magnétique, il faut un champ le plus intense possible. Les bobines les plus adaptées sont alors des bobines pulsées, d'autant qu'il existe une longueur caractéristique au-delà de laquelle la probabilité de conversion diminue (environ 1 m pour nos paramètres). Nous développons donc au laboratoire des bobines analogues à celles réalisées pour l'expérience BMV mais plus longues (46 cm). Une première bobine a déjà été testée et fournit T.m où L est la longueur de la bobine ; la deuxième bobine nécessaire est en cours de fabrication et devrait être validée d'ici mi-février.

Avec un champ magnétique aussi intense, il est nécessaire de placer ce type de bobine dans des cryostats afin de les faire baigner dans de l'azote liquide. En baissant ainsi la température, nous pouvons atteindre des niveaux de champ magnétique qui, à température ambiante, détruirait tout simplement la bobine.

 

3. Résultats attendus et perspectives

La combinaison des différents éléments de notre expérience conduit à une très bonne sensibilité. La Figure 2 représente les limites que nous obtiendrions sur la constante de couplage et la masse de la PBFM si nous ne détections pas de photon. On y voit clairement que notre système contient la zone délimitée par PVLAS (courbe rouge au niveau de l'accolade rouge). Deux scénarios sont alors possibles :
 Nous n'observons pas de photorégénération. Nous aurons donc prouvé que l'interprétation particulaire des résultats de PVLAS est erronée et l'expérience BMV pourra trancher sur l'exactitude des mesures elles-mêmes.
 Nous observons la photorégénération. Ce sera alors la première mise en évidence expérimentale directe de cette nouvelle particule, que l'expérience BMV permettra de caractériser complètement.

Comme nous l'avons vu dans l'introduction, nous ne serons pas les seuls à réaliser ce type d'expérience. Au Jefferson Lab et au CERN, les premiers résultats sont aussi annoncés pour 2007.

Quant à nous, le montage et le test des installations se déroulera de février à fin avril, et notre expérience devrait être opérationnelle en mai. Des semaines de tirs lasers officielles nous ont été accordées en juillet et en septembre.

 

4. Conclusion

Le projet sur la photorégénération de PBFM est un projet complémentaire de l'expérience actuellement réalisée dans le groupe de Carlo Rizzo sur la mesure de la biréfringence magnétique du vide. Ces nouvelles particules n'ont encore jamais été observées directement. Notre expérience pourrait donc être la première à réaliser cette prouesse. L'expérience BMV serait alors la seule en mesure de donner avec précision les caractéristiques de la particule détectée, comme la valeur de sa masse ou sa constante de couplage avec la lumière.

 

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

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

[ 3 ] S. Lamoreaux, Nature 441 , 31 (2006).

[ 4 ] A. V. Afanasev et al. , arXiv :hep-ph/0605250 (2006).

[ 5 ] L. Duvillaret et al. , CERN/AT 2005-9 (MTM).