DeLLight : Nonlinéarité optique du vide avec des impulsions laser intenses – Advanced-DeLLight

L’électrodynamique quantique (QED) prédit que le vide doit être un milieu optique non linéaire : la vitesse de la lumière dans le vide devrait diminuer lorsque le vide est soumis à des champs électromagnétiques intenses. Cet effet optique n’a encore jamais été observé.

L’expérience DeLLight (Deflection of Light by Light) cherche à mesurer cet effet en utilisant des impulsions laser femtosecondes intenses délivrées par la plateforme LASERIX (E =2.5J, 30fs, 10Hz) du laboratoire IJCLab (Université Paris-Saclay). La méthode innovante de DeLLight est de mesurer par interférométrie la réfraction d’une impulsion laser (sonde) de basse énergie, induite par le gradient d’indice du vide produit par une impulsion externe (pompe) de haute intensité. La réfraction de l'impulsion sonde est détectée grâce à un interféromètre de Sagnac, en mesurant en sortie sombre de l'interféromètre le décalage transverse du profil d'intensité grâce à une caméra CCD.

Une expérience pilote, financée par un précédent contrat ANR jusqu’en Avril 2022, a permis de démontrer la faisabilité du projet et de caractériser les paramètres critiques limitant actuellement la sensibilité de l’expérience. Ces paramètres limitants sont : le bruit de phase induit par les défauts de surface des optiques de l’interféromètre, les fluctuations de pointé du faisceau sonde incident, et la largeur des impulsions sondes au foyer de la focalisation dans la zone d’interaction.

Nous demandons le financement du projet Advanced-DeLLight qui permettra une amélioration des performances de l’expérience DeLLight actuelle, afin d’atteindre les spécifications nécessaires pour une détection du signal recherché.

Le projet Advanced-DeLLight est organisé selon les cinq axes de travail suivants :
Axe 1 : Amélioration des performances de l’interféromètre de Sagnac en réduisant le bruit de phase actuel grâce au développement de nouvelles optiques de large diamètre respectant les spécifications de qualité de surface requises.
Axe 2 : Développement d’un système de stabilisation opto-mécanique du profile du faisceau sonde et de l’alignement de l’interféromètre afin de maintenir stable le bruit de phase résiduel sur de longues périodes de mesure.
Axe 3 : Focalisation et interaction des impulsions pompe et sonde. Réduction de la largeur du faisceau au foyer dans la zone d'interaction (grâce à un faisceau sonde incident élargi). Suivi continu de la superposition spatiale et de la coïncidence temporelle des impulsions pompe et sonde.
Axe 4 : Mesures interférométriques dans le vide avec des impulsions pompe intenses sur de longues périodes de prise de données.
Axe 5 : Développement d’outils pour l’analyse de données, permettant une extraction du signal moins sensible au bruit de phase de l’interféromètre.

L’objectif du projet Advanced-DeLLight est d’atteindre la sensibilité requise permettant de mesurer le signal QED, à 5 sigmas de niveau de confiance après un mois de données collectées.

L’expérience DeLLight est actuellement la seule expérience cherchant à mesurer la non-linéarité optique du vide avec des impulsions laser intenses. Le projet Advanced-DeLLight a un réel potentiel de découverte. Une mesure positive serait un résultat majeur. En effet cela montrerait que la vitesse de la lumière dans le vide peut être réduite, au sens classique du terme à l'échelle macroscopique, lorsqu'on applique des champs intenses sur ce vide, de nature quantique. Ajoutons enfin que l’interféromètre Advanced-DeLLight pourra bénéficier des futurs lasers ultra-intenses de haut taux de répétition de tirs, tel que le laser HALPS actuellement en cours de mise en service au centre ELI Beamline (Tchéquie) qui permettra d’augmenter d’un facteur 10 au moins l’amplitude du signal recherché.