Test de stabilité des constantes fondamentales par conparaisons à longue distance d'horloges optiques ultra-stables – ALPHA+

Nous proposons un test de stabilité des constantes fondamentales par comparaison répétée et à distance d'horloges atomiques et moléculaires de hautes performances. Ce test permettra de valider (ou non) le principe d'équivalence d'Einstein à un niveau inégalé, principe au cœur de la relativité générale et dont la violation est prévue par la plupart des théories d'unification. L'idée centrale est que la fréquence de chaque transition atomique ou moléculaire dépend spécifiquement de certaines constantes de la physique (constante de structure fine, rapport de masse des particules élémentaires, etc...). Une variation de ces « constantes » (en violation du principe d'équivalence) peut donc être détectée par la comparaison d'horloges basées sur des transitions différentes. Jusqu'ici, les meilleurs tests de ce type ont été réalisés avec une inexactitude relative des horloges de l'ordre de 10^{-14} à 10^{-15}, et impliquaient un petit nombre de transitions atomiques. L'évolution du domaine et en particulier l'avènement d'horloges optiques laisse espérer à l'horizon 2010 une amélioration de 2 ordres de grandeur, prédiction qui a conduit de nombreux laboratoires dont le SYRTE à initier des projets avec une grande variété de transitions atomiques et visant le niveau de 10^{-17}. Ces performances impressionnantes (erreur cumulée de l'ordre de quelques secondes sur l'âge de l'univers) vont bien au-delà des capacités des systèmes de comparaison d'horloges à distance existants, limités aujourd'hui à 10^{-15}. Le projet proposé vise à développer une nouvelle méthode de comparaison au niveau de 10^{-17} sur des distances de l'ordre de 1000 km. Le système utilise des fibres optiques standards dont les principaux axes de communication sont largement équipés, offrant la perspective d'une extension du test aux meilleures horloges européennes. La méthode de comparaison proposée s'appuie sur l'expérience du SYRTE et du LPL dans le domaine. Nous avons développé un lien par fibre optique de 44 km entre les deux laboratoires. Quoique d'un niveau de performances compatible du but recherché, la technique utilisée et qui repose sur la transmission d'un signal radio-fréquence par modulation d'amplitude d'un faisceau laser, ne paraît pas extensible à des distances continentales. Cela provient essentiellement de sa sensibilité à l'atténuation des signaux par la fibre optique. La méthode proposée est radicalement différente, elle consiste à transmettre la phase du signal optique lui-même. Une réduction considérable de la sensibilité à l'atténuation est alors obtenue par l'augmentation de 5 ordres de grandeur de la fréquence du signal utile et par la méthode de détection retenue. Le système est bidirectionnel, ce qui permet de mesurer et de compenser les fluctuations de chemin optique. Dans un premier temps, deux lasers ultra-stables à construire au SYRTE et au LPL seront comparés par le nouveau lien. La distance de comparaison sera progressivement accrue de 44 km à 500 km. Notre capacité à démontrer un transfert de fréquence au niveau de 10^{-17} et à grande distance par fibre optique nous conduira à pouvoir proposer à nos collègues européens la mise en place d'un réseau fibré pour la comparaison à l'échelle continentale de l'ensemble des horloges de hautes performances disponibles.