Biréfringence Magnétique du Vide – BMV

Nous proposons de combiner l'état de l'art de l'instrumentation optique avec des champs magnétiques pulsés intenses afin d'étudier les phénomènes magnéto-optiques dans le vide quantique i.e. la preuve expérimentale des propriétés magnéto-optiques du vide quantique. Notre objectif est d’observer pour la première fois la biréfringence magnétique linéaire du vide qui correspond à une variation de la vitesse de la lumière dans le vide en fonction de sa polarisation en présence d’un champ magnétique transverse. Ceci serait l'une des rares manifestations macroscopiques de l'énergie du vide supposée remplir notre cosmos et qui est une des explications naturelles de l'énergie noire comptant pour 73 % de l'univers et permettant l'accélération de son expansion.
La biréfringence magnétique du vide a été prédite par l’électrodynamique quantique (QED) mais elle n’a jamais été observée. Son observation serait la première mise en évidence d’une effet optique macroscopique non-linéaire dans le vide et elle correspondrait à l’un des derniers tests de la QED concernant le photon lui-même. En effet, jusqu’à présent, la QED n’a été largement testée que dans les systèmes liés comme avec la mesure du décalage de Lamb dans l’atome d’hydrogène, ou sur des particules chargées avec par exemple la mesure du (g-2) de l’électron.
Grâce aux équipements existants au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) à Toulouse et aux améliorations techniques apportées ces dernières années, avec la collaboration du Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA) à Lyon, nous sommes en mesure de proposer une expérience qui permettra de repousser davantage les limites de la magnéto-optique du vide. Elle contribuera ainsi significativement aux recherches sur l'électrodynamique quantique et sur la physique hors modèle standard. Pour observer pour la première fois cette biréfringence magnétique du vide, l’expérience BMV, basée sur l’utilisation de champs magnétiques intenses pulsés et sur une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, est maintenant opérationnelle au LNCMI. La calibration précise de notre appareil a été réalisée avec de l'hélium gazeux, prouvant notre capacité à coupler une cavité de très haute finesse avec des champs magnétiques intenses. Notre sensibilité a été améliorée et nous a permis d'obtenir un niveau de bruit jamais atteint auparavant pour la biréfringence magnétique du vide de Delta-n = 8 10^-21 T^-2 à 3 sigma avec environ 100 tirs. Le montage de première génération a été complétement exploité et il nous a finalement permis de cerner ses principales limitations et les améliorations à apporter pour atteindre notre but final : une meilleure stabilité de l'expérience, un champ magnétique plus intense et un meilleur contrôle des effets systématiques.
La présente demande concerne le développement et la mise en place de l'expérience de deuxième génération qui nous permettra d'observer l'effet Cotton-Mouton du vide pour la première fois. Notre objectif est d'atteindre une sensibilité en Delta-n par tir de 2.7 x 10^-23 T-2 à 1 sigma (8 x 10^-23 T-2 à 3 sigma). Finalement, 45 tirs, correspondant à 2 heures de travail, permettront d'observer la biréfringence magnétique du vide avec un rapport signal à bruit de 1.