CE31 - Physique Subatomique, Sciences de l'Univers, Structure et Histoire de la Terre

Recherche de non linéarité du vide électromagnétique en champ intense – DeLLight

Résumé de soumission

La théorie de l'électrodynamique quantique (QED) prédit que l'indice de réfraction du vide est modifié lorsque le vide est soumis à des champs électromagnétiques intenses. Le vide serait un milieu optique non linéaire, comme tout autre milieu standard. Cet effet n'a jamais été observé expérimentalement. Le test le plus sensible aujourd'hui est la recherche de la biréfringence du vide. La meilleure sensibilité, obtenue après environ 100 jours de données, est un ordre de grandeur supérieure à la prédiction QED. L'objectif du projet DeLLight (Deflection of Light by Light) est d'observer, non pas une biréfringence, mais un changement global de l'indice de réfraction du vide en utilisant des impulsions laser ultra-courtes et ultra-intenses, délivrées par l’installation LASERIX au Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL). L'idée originale est de mesurer la réfraction (effet cohérent à l'échelle macroscopique) d'une impulsion laser sonde traversant un gradient transverse de l’indice du vide. Ce dernier est produit par l'interaction de deux impulsions intenses contre-propageantes, utilisées comme impulsions pompes. 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.

Pour atteindre une sensibilité élevée, il faut une forte focalisation des faisceaux pompes, une forte extinction d’intensité dans la sortie sombre de l'interféromètre, et une grande résolution spatiale pour la mesure de position du profil d'intensité sur le CCD. Avec des spécifications exigeantes mais réalistes, à savoir un facteur d'extinction F=10^(-5) (valeur obtenue avec le prototype actuel) une résolution spatiale de 10nm (30 nm mesuré avec le prototype actuel) et une taille de faisceaux à la focalisation w0=5micron, les simulations numériques montrent que le signal QED attendu peut être observé à 3 sigma de niveau de confiance après 3 jours de données. Inversement, en supposant les spécifications déjà atteintes avec notre premier prototype et une valeur très conservatrice de taille de faisceaux au foyer (w0=20micron), la sensibilité attendue est identique à la meilleure sensibilité actuelle des expériences de biréfringence. Nous soulignons que la recherche d'un changement global de l'indice de vide n'a été réalisé qu'une seule fois par R.V. Jones en 1960, avec une sensibilité d’environ 10 ordres de grandeur moins bonne que la prédiction théorique. Le projet DeLLight offre donc une amélioration notable de la sensibilité de mesure avec un réel potentiel de découverte, et des résultats qui pourront être publiés dans des revues scientifiques à fort impact.

Nous proposons un programme de 3 ans. La première étape du programme consiste à compléter le prototype DeLLight (en cours de développement) selon les spécifications du projet. L’objectif de ce prototype (démonstrateur) est de valider la méthode expérimentale et la sensibilité de l’expérience DeLLight en mesurant le gradient d'indice produit dans un gaz à basse pression (effet Kerr non-linéaire) avec des impulsions femtosecondes mJ sous le seuil plasma. Le contrôle automatique de l'alignement optique sera développé et validé avec ce prototype. La deuxième étape consiste à focaliser deux impulsions intenses contre-propageantes (1,25 J par impulsion, 30 fs) avec un recouvrement stable au foyer, puis d’installer l'interféromètre Sagnac de plus grande dimension dans la zone d'interaction. Une fois ces deux étapes de travail terminées, les mesures DeLLight de variation d’indice du vide débuteront. Deux phases de prise de données sont prévues selon des spécifications expérimentales différentes (taille de focalisation et niveau de vide). Les moyens demandés sont pour deux tiers de l'équipement, et pour un tiers le financement d'une thèse.

Coordination du projet

Xavier Sarazin (Laboratoire de l'accélérateur linéaire)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LAL Laboratoire de l'accélérateur linéaire
APC Astroparticule et Cosmologie
LPGP Laboratoire de physique des gaz et des plasmas
LUMAT Fédération Lumière Matière

Aide de l'ANR 310 608 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 36 Mois

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