Utilisation d'oscillations de Bloch d'atomes ultra froids pour mesurer la constante de structure fine alpha – FISCOM

L'objectif de ce projet est une mesure extrêmement précise du rapport h/M entre la constante de Planck et la masse d'un atome. L'une des principales motivations de cette expérience est la détermination de la constante de structure fine alpha. En effet, alpha peut être déterminée à partir du rapport h/M en utilisant la relation suivante : (alpha)^2=(2Ry/c)(M/me)(h/M) Dans cette expression, la constante de Rydberg Ry est connue avec une incertitude de 7×10-12 et le rapport de masse M/me (me est la masse de l'électron) est connue avec une précision de 5×10-10 pour les atomes de césium et rubidium. Ainsi, une mesure de h/M avec par exemple une incertitude de l'ordre de 10-8 permet de déterminer alpha avec une incertitude de 5x10-9, ce qui est très intéressant lorsqu'on sait que la dispersion totale des diverses mesures de alpha est de l'ordre de 10-7. Les déterminations les plus récentes de la constante de structure fine sont obtenues à partir de mesures de physique du solide (effet Hall quantique et effet Josephson), de mesures faisant intervenir l'électrodynamique quantique (mesure de la structure hyperfine du muonium et mesure de l'anomalie g -2 de l'électron) et enfin à partir de l'équation ci-dessus (mesures du rapport entre la constante de Planck et les masses du neutron et de l'atome de Césium). Les deux déterminations les plus précises sont celles déduites de g 2 (une mesure très récente donne une incertitude de 7x10-10) et du rapport h/M(Cs) (incertitude de 7,7x10-9). L'objectif de ce projet est de déterminer la constante de structure fine avec une incertitude relative de 10-9 (1 ppb). Cela aurait deux intérêts : * La mesure déduite de g 2 fait intervenir des calculs très complexes d'électrodynamique quantique. La vérification de ces calculs nécessite donc une valeur de alpha ayant une précision de l'ordre de 0,7 ppb. * La proposition récente de redéfinition du kilogramme en fixant la constante de Planck renouvelle l'intérêt des mesures de alpha (I.M. Mills et al., Metrologia 42 (2005) p. 71). En effet, cette proposition repose sur la mesure de la constante de Planck à l'aide de la balance du watt qui dépend de la validité de la relation RK= h/e2. (RK est la constante de Von Klitzing de l'effet Hall quantique). Or, actuellement, il y a un écart de 30 ppb entre la détermination de alpha déduite de RK et celle déduite de g -2. Avant de redéfinir le kilogramme, il est donc nécessaire de mesurer alpha avec une meilleure précision. L'expérience que nous faisons est très similaire à celle faite dans le groupe de S. Chu à Stanford pour mesurer le rapport h/M(Cs). Le principe est de mesurer la vitesse de recul de l'atome lorsqu'il absorbe un photon : vr=hbar k/M où vr est la vitesse de recul de l'atome et k (k=2pi/lambda) le vecteur d'onde de la lumière absorbée. La vitesse de recul est mesurée par effet Doppler et la longueur d'onde lambda peut être connue très précisément. Notre choix s'est porté sur l'atome de rubidium car il y a deux isotopes stables 85 et 87. Par rapport à l'expérience de Steve Chu, l'originalité de notre méthode est l'utilisation des oscillations de Bloch. Nous sélectionnons d'abord dans un nuage d'atomes froids une classe de vitesse subrecul (largeur de la distribution de vitesses de l'ordre de vr/50), puis nous accélérons ces atomes à l'aide d'oscillations de Bloch. Chaque oscillation transfère à l'atome l'impulsion (2hbar k). Dans une expérience préliminaire, nous avons pu effectuer jusqu'à 450 oscillations de Bloch, ce qui permet de mesurer la vitesse de recul très précisément. Nous avons pu en déduire une valeur de la constante de structure fine avec une incertitude de 6,7 ppb (P. Cladé et al, Phys. Rev.Lett. 96 ,p. 033001). Notre objectif est de construire une nouvelle expérience dans le but de réduire l'incertitude sur alpha à 1 ppb. L'analyse détaillée des diverses causes d'erreur de notre mesure préliminaire montre que cela est tout à fait possible grâce à plusieurs améliorations : util..