Spectroscopie laser d'atomes muoniques simples – LASIMUS

Le but de ce projet est de réaliser, pour la première fois au monde, la spectroscopie laser de la structure hyperfine (SHF) de l'état fondamental (1S) de l'hydrogène muonique et de l'ion muonique de l'hélium-3 avec une précision relative de 1 ppm. Les effets liés à la structure nucléaire correspondante seront alors 100 fois mieux connus. L’objectif de cette demande de financement est la réalisation du système laser, des cavités multi-passages d’excitation des atomes et du système d’acquisition de données à haut débit (DAQ) pour réaliser cette spectroscopie.

Les atomes muoniques sont des atomes exotiques dans lesquels un seul électron est remplacé par un muon. Comme le muon est 200 fois plus lourd qu'un électron, le rayon de Bohr de l’atome est 200 fois plus petit et le recouvrement des fonctions d'onde du muon et du noyau est 2003 (8 millions) de fois plus important. Les atomes muoniques sont donc extrêmement sensibles aux paramètres nucléaires, tels que les rayons de distribution de charge électrique et magnétique.

Même le noyau le plus simple, le proton, a une structure complexe. Il est composé de quarks et de gluons. Nous avons déterminé, pour la première fois, le rayon de distribution de charge du proton à partir de la mesure du déplacement de Lamb (2S) de l'hydrogène muonique [Pohl, Antognini, Nez et al., Nature 466, 213 (2010)]. Le rayon de distribution de charge quantifie l'extension moyenne de la charge électrique à l'intérieur du proton, et notre valeur est dix fois plus précise que la moyenne mondiale des mesures issues de la spectroscopie hydrogène électronique et de la diffusion élastique électron-proton, mais en diffère de plus de 5 écarts-types.

Nos mesures des SHFs amélioreront d'un facteur 100 la détermination de la contribution nucléaire d'échange à deux photons (TPE), dont la partie élastique est sensible à la distribution d'aimantation à l'intérieur du noyau. Celle-ci peut être paramétrée en fonction du rayon (magnétique) de Zemach, qui sera alors plus de 10 fois mieux connu. La précision du rayon de Zemach limite le test d’électrodynamique quantique (QED) de la SHF de l'hydrogène électronique à 6 chiffres, tandis que cette transition (maser à hydrogène) a été mesurée avec 12 chiffres significatifs il y a déjà 50 ans. Nos mesures vont donc améliorer le test QED dans l'hydrogène et l'hélium-3 d'un ordre de grandeur.

La spectroscopie des atomes muoniques aura lieu à l'Institut Paul-Scherrer (PSI), en Suisse, dans le cadre de la collaboration internationale CREMA. Notre projet tire parti de notre savoir-faire acquis pour la détermination du rayon de charge du proton et de nos compétences complémentaires (systèmes laser pour la mesure de haute précision (LKB), cavités multi-passages (JGU)) et des installations uniques de l'Institut Paul Scherrer (source de muons, laser à disque puissant et à déclenchement rapide). De nouveaux oscillateurs paramétriques optiques (OPO) seront utilisés pour générer des impulsions lasers de grandes énergies dans l'infrarouge moyen. Financé par cette subvention, F. Nez (LKB) fournira une mesure et un étalonnage précis des fréquences laser et R. Pohl (JGU) construira les cavités multi-passages d’excitation des atomes muoniques et le système DAQ. Avec son financement actuel, A. Antognini (PSI) améliorera la source de muons et le laser de pompe, en impulsion. Les sources laser OPO seront construites et testées par nous trois, grâce à cette subvention DFG-ANR.
L'étude et l'utilisation de lasers dans cette gamme de longueur d’onde sont en plein développement. Notre source laser pourrait être utilisée pour la spectroscopie LIDAR, l’usinage précis du verre, de nouvelles techniques d'analyse biomoléculaire et de nouvelles thérapies au laser.