Interférométrie sur onde de matière à haute sensibilité : vers une détermination de la constante de structure fine au niveau de 10-10

High sensitivity matter-wave interferometry : towards a determination of the fine structure constant below 10-10

• Auteur / Autrice : Léo Morel
• Direction : Saïda Guellati-Khelifa, Pierre Cladé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Landragin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Achim Peters
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Champenois, Albert Roura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensation de Bose-Einstein

Interférométrie atomique

Atomes froids

Mots clés libres

Métrologie

Atomes froids

Interférométrie atomique

Constante de structure fine

Transitions Raman

Oscillations de Bloch

Metrology

Cold atoms

Atom interferometry

Fine structure constant

Raman transitions

Bloch oscillations

Résumé

La constante de structure fine α peut être déterminée à partir de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome m. La comparaison de la valeur expérimentale de l’anomalie du moment magnétique de l’électron ou du muon à leurs valeurs théoriques prédites par le Modèle Standard et utilisant cette valeur de α permet d’accomplir un test très précis de ce modèle. Mon travail de thèse a porté principalement sur la mesure du rapport h/m de l’isotope 87 du rubidium en utilisant un nouveau dispositif expérimental conçu pour produire une source ultra-froide par évaporation dans un piège dipolaire tout-optique chargé par une mélasse optique. Nous avons optimisé les paramètres du dispositif à l’aide d’un algorithme génétique, ce qui nous a permis de produire un condensat de Bose Einstein, contenant 120.000 atomes, polarisé dans l’état F=1, mF=0, avec un temps de cycle de 3,5 secondes. Nous avons ensuite installé le dispositif laser d’interférométrie atomique, pour interroger un nuage d’atomes froids produit dans une mélasse optique. En combinant un interféromètre utilisant des transitions Raman et la technique des oscillations de Bloch, nous avons démontré une sensibilité sans précédent sur la mesure de h/m correspondant à une incertitude statistique relative de 8,5 10-11 en 48h de temps d’intégration, soit 4,3 10-11 sur α. Cette sensibilité nous a permis d’étudier expérimentalement de nombreux effets systématiques. Nous avons de plus mené un travail de modélisation qui a contribué à la mise en place de protocoles visant à compenser les biais induits par les effets systématiques. Nous présentons un bilan provisoire du budget d’erreurs associé à ces effets.

The fine structure constant can be determined from the measurement of the ratio h/m between the Planck constant, h, and the mass of an atom, m. The comparison of the experimental value of the anomalous magnetic moment of the electron or the muon with their theoretical values predicted by the Standard Model using this value of the fine structure constant allows a very precise test of this model. My thesis work focused principally on the measurement of the h/m ratio of rubidium-87 using a new experimental device. This device has been designed to produce an ultra-cold source by evaporation in an all-optical dipole trap loaded from optical molasses. We optimized the parameters of the experimental device using a genetic algorithm, which allowed us to produce a Bose Einstein condensate, containing 120,000 atoms, polarized in the state F=1, mF=0, with a cycle time of 3.5 seconds. We then installed the laser device for atom interferometry, to interrogate a cloud of cold atoms produced by optical molasses. Combining an interferometer using Raman transitions and the Bloch oscillation technique, we demonstrated an unprecedented sensitivity on the measurement of h/m corresponding to a relative statistical uncertainty of 8.5 x 10-11 in 48 hours of integration, or 4.3 x 10-11 on the fine structure constant. This sensitivity has allowed us to experimentally study a variety of systematic effects. We simultaneously carried out modelling work that contributed to the implementation of protocols to compensate for the biases induced by systematic effects. We present a preliminary assessment of the error budget associated with these effects.