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Biréfringence Magnétique du Vide (BMV)


- Janvier 2015 : Expérience de deuxième génération en cours de construction.


- 2014 : Financement ANR obtenu.

- Octobre 2013 : Nouvelles mesures dans le vide kCM =(5.1 +/- 6.2)x10-21 T-2 à 3 sigma. Notre valeur est l’une des plus précises jamais mesurée comme le montre la figure ci-dessous [1], [2] [3]. Ceci valide clairement notre méthode expérimentale basée sur les champs magnétiques pulsés. Nous atteignions un niveau de bruit inférieur à celui donné par la collaboration italienne PVLAS obtenue avec un temps d’intégration de 8192 s [3].

Pour plus de détails, voir l’article publié dans EPJD :

Vacuum magnetic linear birefringence using pulsed fields : the BMV experiment, A. Cadène, P. Berceau, M. Fouché, R. Battesti, and C. Rizzo, Eur. Phys. J. D 68, 16 (2014)

- Juillet 2013 : Mesures de l’effet Cotton-Mouton et de l’effet Faraday dans l’hélium gazeux. Pour plus de détails, voir l’article sur arXiv :

Faraday and Cotton-Mouton Effects of Helium at λ= 1064 nm, A. Cadène, D. Sordes, P. Berceau, M. Fouché, R. Battesti, and C. Rizzo, Phys. Rev. A 88, 043815 (2013).

- Janvier 2012 : Voir l’article récemment publié :

Magnetic linear birefringence measurements using pulsed fields, P. Berceau, M. Fouché, R. Battesti, and C. Rizzo, Phys. Rev. A 85, 013837 (2012)

- Juillet 2011 : Amélioration de la sensibilité avec des tirs dans le vide donnant : \Delta n_{\mathrm{vide}} = (7 \pm 48)\times10^{-20} T^{-2}

- Juillet 2011 : Première observation de l’ellipticité sur l’ensemble du tir de champ magnétique.

Pression d’azote = 32.1 matm.

L’ellipticité mesurée (en rouge) suit, comme attendu, le champ magnétique au carré filtré par la cavité (en bleu).

Valeur mesurée : \Delta n_u = 2.1x10^{-15} T^{-2}atm^{-1}

- Novembre 2010 : Les miroirs du LMA ont permis d’obtenir à ce jour une finesse de 529 000 correspondant à une raie de largeur de 124 Hz, plaçant donc notre cavité comme la plus fine au monde.

- Septembre 2009 : Une nouvelle bobine a été testée au mois de septembre 2009. Celle-ci a cassé à plus de 30 Tesla correspondant à plus de 300 T²m. Notre objectif qui était d’obtenir 25 Tesla est donc atteint !


Notre programme scientifique, le projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide), s’articule autour d’un projet expérimental ambitieux dont le but est de vérifier en laboratoire les prévisions de l’électrodynamique quantique pour ce qui concerne l’énergie du vide. Ce projet est basé sur l’utilisation de champs magnétiques pulsés très intenses et d’un appareil optique très sensible pour la détection des effets induits par ce champ sur un faisceau laser.

Une vidéo grand public est disponible sous le nom "Magnétisme et vide quantique".

1. Objectifs et contexte

L’électrodynamique classique, modifiée au début du XXème siècle pour prendre en compte les concepts de la mécanique quantique a donné naissance à l’électrodynamique quantique (EDQ). Parmi les nouveaux phénomènes prédits par l’EDQ mais jamais observés, on trouve la biréfringence magnétique du vide, appelée aussi effet Cotton-Mouton du vide.

Fig. 1

Dans le vide, en présence d’un champ magnétique transverse, la vitesse de propagation de la lumière dépend de sa polarisation. L’indice de réfraction n_{par} vu par une onde polarisée parallèlement au champ magnétique est différent de l’indice n_{perp} vu par une onde polarisée perpendiculairement au champ magnétique. La différence \Delta n = n_{par} - n_{perp} est alors proportionnelle à B^2. Une onde polarisée linéairement à l’entrée du vide ressort donc de la région d’interaction avec le champ magnétique transversal avec une polarisation elliptique (Fig. 1) [4]. Euler et Kochel en 1935, puis Heisenberg et Euler en 1936 [5] ont établi le lagrangien d’interaction puis ils ont calculé la biréfringence induite qui vaut \Delta n = 4\times 10^{-24}T^{-2}. C’est le challenge que nous avons à relever ! L’observation d’un tel effet constituerait la première mise en évidence de la propagation non linéaire de la lumière dans le vide quantique.

Cette prévision très fondamentale n’a pas encore été confirmée expérimentalement. Néanmoins, l’équipe italienne de l’expérience PVLAS [6] du professeur Zavattini a annoncé en 2006 avoir observée une activité optique due au vide quantique. Ce phénomène ne peut pas être expliqué par l’EDQ mais il pourrait être une première observation d’un constituant de la matière noire. Notre expérience de photorégénération a été montée suite à cette publication. Nos résultats ont finalement permis de montrer sans ambiguïté que l’interprétation des italiens était erronée.

2. Description du projet

2.1 Le champ magnétique

Notre expérience nécessite d’avoir le plus grand champ magnétique transverse possible. Le meilleur choix est donc d’utiliser des aimants pulsés dont le LNCMI à Toulouse est spécialiste. De plus, nous avons besoin d’une région d’interaction avec le champ magnétique importante car l’ellipticité que nous mesurons est proportionnelle au produit B^2 L, où L est la longueur où le champ magnétique est appliqué. L’objectif final est de réaliser des aimants pulsés pouvant délivrer un B²L supérieur à 600 T²m.

L’aimant testé et développé est basé sur une géométrie en X, appelé X-coil, qui permet d’avoir un champ magnétique transverse important tout en laissant l’accès optique pour laisser passer le laser. Comme tous les aimants pulsés, les bobines sont immergées dans de l’azote liquide afin de limiter les conséquences du chauffage pendant le tir magnétique. Des photos du cryostat contenant la bobine sont représentées sur la Figure 2.

Fig. 2

Fig. 2 Gauche : Cryostat. Haut à droite : Bobine dans son cryostat. Bas à droite : Cryostat sur la table optique dans la salle blanche

2.2 L’optique

La seconde partie du projet concerne la mise en place de la cavité de 2 m de long, l’ensemble du système à vide et l’optique avec en particulier l’asservissement du laser sur la cavité. Les miroirs de très haute finesse ont été fabriqués par le LMA de l’IN2P3 à Lyon et ils devraient avoir des caractéristiques correspondant à une finesse proche de 1 000 000.

2.3 Dispositif expérimental

L’expérience a été installée au LNCMI au mois de mai 2006. Une salle propre y a été réalisée (voir photos plus bas). Son accès est réservé aux membres de l’équipe totalement équipés, afin de minimiser la pollution, en particulier pour les miroirs de la cavité de très haute finesse. Le laser, le système à vide, les aimants et les cryostats sont placés dans la salle tandis que le banc de capacités nous servant de générateur est placé à l’extérieur. Le poste de contrôle pour l’expérience est placé dans un sas d’accès à la salle propre.

Pour plus de détails : voir notre article publié dans European Physical Journal D (R. Battesti et al., Eur. Phys J. D 46, 323 (2008)).

3. Etat actuel

Montage

A ce jour notre appareil monté en salle blanche est constitué de
- deux bobines qui délivrent des champs magnétiques supérieurs à 11 T pendant une impulsion de durée totale de quelques millisecondes et une longueur totale d’environ 50 cm,
- une cavité Fabry-Pérot de longueur environ 2,2 m et de finesse 130 000 (miroirs fabriqués par Layertec). Une source laser Nd :YAG (\lambda = 1064 nm) est asservie sur cette cavité.

Bobines

Une nouvelle bobine a été testée au mois de septembre 2009. Celle-ci a cassé à plus de 30 Tesla correspondant à plus de 300 T²m. Notre objectif qui était d’obtenir 25 Tesla est donc atteint !

Cavité Fabry-Perot

- Les miroirs du LMA ont permis d’obtenir à ce jour une finesse de 529 000 correspondant à une raie de largeur de 124 Hz, plaçant donc notre cavité comme la plus fine au monde.

- Nous avons mesuré la biréfringence des miroirs fabriqués par Layertec. Une étude basée sur une revue des données déjà existente de biréfringence de miroirs interferentiels avec nos nouvelles données et le développement d’un programme sur ordinateur nous a permis d’indiquer que l’origine de la birefringence des miroirs pourrait être attribuée aux couches réfléchissantes les plus proche du substrat. Pour plus de détails, voir notre article publié dans Applied Physics B (F. Bielsa et al, Appl. Phys. B 97, 457 (2009)).

- La mesure se faisant en champ magnétique pulsé, la compréhension du comportement dynamique de la cavité est essentielle. Pour cela, nous avons étudié ce comportement à la fois de manière expérimentale et théorique. Nous avons en particulier montré que la cavité se comporte bien comme un filtre passe-bas du premier ordre pour le faisceau ordinaire, mais du deuxième ordre pour le faisceau extraordinaire. Ces résultats, inédits jusqu’à présents, sont publiés dans Applied Physics B (P. Berceau et al, Appl. Phys. B 100, 803 (2010)).

Mesures

- Les premières prises de données ont été effectuées durant l’été 2008. Nous sommes en mesure de voir l’effet Cotton-Mouton des gaz comme l’azote moléculaire ou l’hélium. Les résultats correspondent aux valeurs attendues.

- Plus d’une centaine de tirs ont été réalisés fin 2012 dans le vide. Notre procédure d’acquisition et d’analyse des données prend en compte les propriétés de symétrie des signaux bruts vis à vis de l’orientation du champ magnétique et du signe de la biréfringence statique de la cavité. Notre mesure actuelle de la biréfringence magnétique du vide k_\mathrm{CM} a été obtenue avec un champ magnétique maximal de 6.5 T. Nous trouvons : kCM =(5.1 +/- 6.2)x10-21 T-2 à 3\sigma. Notre résultat est une validation claire de notre méthode expérimentale innovante.


[1] R. Cameron et al, Phys. Rev. D 47, 3707 (1993).

[2] E. Zavattini et al, Phys. Rev. D 77, 032006 (2008).

[3] G. Zavattini et al, Int. J. of Mod. Phys. A 27, 1260017 (2012).

[4] G. L. J. A. Rikken and C. Rizzo, Phys. Rev. A 63, 012107 (2003).

[5] H. Euler and B. Kockel, Naturwiss. 23, 246 (1935) ; W. Heisenberg and H. Euler, Z. Phys. 98, 714 (1936).

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