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2006-2008 : Expérience de photorégénération au LULI

Cette expérience, complémentaire de la mesure de la biréfringence magnétique du vide, a débuté en 2006 suite au résultats de l’équipe italienne PVLAS [1] travaillant elle aussi sur la biréfringence magnétique sous vide à l’aide d’une cavité optique. L’interprétation la plus plausible de leurs mesures d’ellipticité et de dichroïsme du vide sous champ magnétique était l’existence d’une nouvelle particule bosonique neutre, sans spin, de faible masse : l’axion. Toutefois, les résultats de PVLAS étaient en sérieux désaccord avec la recherche des axions solaires. Une expérience indépendante et complémentaire était donc capitale pour confirmer ou non ces résultats.

1. Expérience de photorégénération de bosons de faible masse

1.1. Principe

A l’inverse du projet BMV qui ne révélerait qu’indirectement l’existence d’une PBFM, l’expérience que nous avons mis en place devrait permettre de la détecter directement. Cette particule étant couplée à deux photons par effet Primakoff, il est possible de la créer à partir d’un photon se propageant en présence d’un champ magnétique transverse.

Le principe de l’expérience est alors 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 certaine probabilité P. A la sortie de la bobine se trouve un écran. Celui-ci permet de stopper tous 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 reconvertit une partie des PBFM en photons. Ceux-ci ont la même fréquence que les photons initiaux et ils peuvent alors être détectés avec un détecteur approprié.

Fig. 1

1.2. 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 (Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses) à Palaiseau qui peut fournir 1.5 kJ en moins de 5 ns à 1,05 nm, ce qui correspond à 8\times 10^{21} photons par tir laser.
- Un détecteur de photons sensible : Notre détecteur est basé sur une photodiode à avalanche, commercialisé par la firme Princeton Lightwave Instruments. Nous avons obtenu lors des tests une efficacité de détection proche de 50 % pour un bruit d’obscurité acceptable.
- 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). Les bobines, analogues à celles réalisées pour l’expérience BMV, ont été développées au LNCMI.

2. Résultats

Le montage et le test des installations se sont déroulés de février à mai 2007. Notre expérience a ainsi été opérationnelle dès le mois de mai 2007 où nous avons commencé à accumuler des tirs laser. Les semaines de tirs lasers officielles nous ont été accordées en juillet et en septembre 2007, puis en janvier 2008.

Au cours des 80 tirs, aucune photorégénération n’a été observée. Ce résultat nous permet de conclure avec certitude que l’interprétation particulaire des résultats de PVLAS est erronée (au moins un photon régénéré par tir aurait dû être détecté). Ces résultats ont été publiés dans :
- Physical Review Letters (C. Robilliard et al., Phys. Rev. Lett. 99, 190403 (2007)) pour les premiers résultats, devançant les autres équipes s’étant lancées sur les traces de l’axion comme le FermiLab et Jefferson Lab aux Etats-unis, le CERN en Suisse ou le DESY en Allemagne.
- Physical Review D (M. Fouché et al., Phys. Rev. D 78, 032013 (2008)) pour les résultats finaux.

Les courbes représentant les limites de l’inverse de la constante de coulage axion-2 photons M en fonction de la masse de l’axion m_a sont représentées sur la Figure 2 pour notre expérience (gris foncé) et est comparée aux limites données par d’autres expériences.

Fig. 2

3. Conclusion

La force de cette expérience a été de combiner 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, ce qui nous a permis d’être les premiers à infirmer les résultats italiens.

La Figure 2 montre clairement que les limites sur la constante de couplage données par les expériences purement expérimentales (la notre, BFRT, GammeV, PVLAS 2008) sont de plusieurs ordres de grandeur plus basses que celles données par les recherches sur les axions solaires (CAST) ou galactiques (ADMX) ou encore celle de l’axion prévu théoriquement. Avec la configuration actuelle de l’expérience, il n’est absolument pas envisageable de pouvoir gagner ces ordres de grandeur. En revanche, notre expérience principale sur la biréfringence magnétique du vide est beaucoup plus prometteuse. Elle peut potentiellement nous faire gagner 1 à 2 ordres de grandeur sur ces limites.


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