Interféromètre atomique à sources ultra-froides pour le test du principe d’équivalence faible depuis l’espace

Ultra-cold atom interferometer for a space test of the weak equivalence principle

• Auteur / Autrice : Célia Pelluet
• Direction : Baptiste Battelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Franck Pereira Dos Santos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Billy, Wolf von Klitzing
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Charron, Pierre Lemonde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Principe d'équivalence (physique)

Atomes froids

Interférométrie atomique

Gravité réduite

Mots clés libres

Microgravité

Interférométrie atomique

Atomes ultra-froids

Principe d’équivalence faible

Atom Interferometry

Ultra-cold atoms

Microgravity

Weak Equivalence Principle

Résumé

Les révolutions quantiques du XXe siècle ont vu l'émergence de nouveaux capteurs de haute précision, appelés senseurs inertiels à onde de matière. L'utilisation de ces senseurs pour étudier le champ gravitationnel terrestre pourrait contribuer à résoudre l'un des grands mystères de la physique fondamentale : le principe d'équivalence faible, qui postule que la masse des corps n'affecte pas leur chute. Cependant, ce postulat fondamental de la relativité générale est remis en question par certaines théories cherchant à unifier la mécanique quantique et la gravité.La réalisation d'un test expérimental pour examiner cette question est essentielle, mais elle nécessite un long temps de chute libre, qui n'est réalisable que depuis l'espace. La conception d'un démonstrateur spatial nécessite une avancée technologique significative. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ICE, qui consiste en un prototype de laboratoire pour de futures missions spatiales. Cette expérience est testée à bord de l'avion Zéro-G ainsi que sur un simulateur de microgravité au sein du laboratoire.L'objectif principal est de mesurer l'accélération subie par deux espèces atomiques différentes, le rubidium 87 et le potassium 39, en utilisant une méthode interférométrique. Ces atomes sont utilisés comme masses d'épreuve. Pour réaliser la mesure avec une grande précision, il est nécessaire d'abaisser la température des nuages atomiques avec des techniques de refroidissement laser.Le présent manuscrit présente les premiers résultats obtenus concernant la production de nuages d'atomes ultra-froids à bord de l'avion Zéro-G, grâce à des techniques de refroidissement évaporatif tout-optique. De plus, notre simulateur de microgravité, doté d'un accès illimité et d'un taux de répétition élevé, nous a permis d'obtenir des résultats en interférométrie atomique avec de longs temps d'interrogation. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d'un test de haute sensibilité du principe d'équivalence sur cette plateforme.

The quantum revolutions of the 20th century have given rise to new high-precision sensors known as matter-wave inertial sensors. Utilizing these sensors to study the Earth's gravitational field holds the potential to address one of the grand mysteries of fundamental physics: the weak equivalence principle (WEP), which postulates that the mass of an object does not affect its fall. However, this foundational postulate of general relativity is challenged by certain theories aiming to unify quantum mechanics and gravity.Conducting an experimental test is paramount, yet it necessitates a prolonged period of free fall achievable only in space. The development of a space-based demonstrator requires significant technological advancement. This thesis is situated within the ICE (Interférométrie à source Cohérente pour l'Espace) project, which serves as a laboratory prototype for future space missions. This experiment is tested aboard the Zero-G aircraft as well as on a microgravity simulator within the laboratory.The primary objective is to measure the acceleration experienced by two different atomic species, rubidium 87 and potassium 39, using an interferometric method. These atoms serve as test masses. Achieving precise measurements requires lowering the temperature of the atomic clouds through laser cooling techniques. This manuscript presents the initial results concerning the production of ultra-cold atomic clouds aboard the Zero-G aircraft, achieved through all-optical evaporative cooling techniques. Furthermore, our microgravity simulator, equipped with unlimited access and a high repetition rate, has enabled us to obtain atomic interferometry results with extended interrogation times. These outcomes pave the way for conducting a highly sensitive test of the equivalence principle using this platform.