Le projet MIGA a pour objectif de réaliser un gravimètre différentiel sur une longue base (150 m) capable de mesurer le gradient de gravité horizontal avec une sensibilité inégalée. Cet instrument permettra une meilleure compréhension du champ de gravité terrestre et ouvrira la voie aux futurs observatoires terrestres d’ondes gravitationnelles à basse fréquence (0.1-10 Hz).

Le projet MIGA a été sélectionne en décembre 2011 par l’Agence Nationale de la Recherche en tant qu’équipement d’excellence (EQUIPEX). Le projet est coordonné par le LP2N de l’institut d’Optique d’Aquitaine (Talence).

Le principe de MIGA

L’instrument sera composé de trois interféromètres atomiques répartis sur une longueur de 150 m et interrogés par un laser horizontal commun. Chaque interféromètre effectue une mesure locale de l’accélération dans la direction horizontale (proche de zéro), et c’est la différence de signal entre les interféromètres qui permet d’obtenir le gradient de gravité horizontal. Le laser de référence commun aux interféromètres se propage sous vide, dans un tube de 150m de long (voir figure 1).

La géométrie des interféromètres atomiques est l’équivalent d’un interféromètre de Mach-Zenhder en optique. Les ondes de matières sont séparées par diffraction de Bragg sur le laser de référence en une superposition de deux états d’impulsions différentes. Les paquets d’onde sont ensuite réfléchis et recombinés par le même laser. La différence de phase accumulée entre les deux bras de l’interféromètre est mesurée par la suite à l’aide d’un système de détection sensible à l’état d’impulsion des atomes. Cette phase est proportionnelle à l’accélération subie par les atomes par rapport au laser de référence. La mesure de la phase différentielle entre chaque interféromètre permettra de s’affranchir du bruit de phase lié au laser de référence (vibrations, bruit de phase laser) afin d’obtenir un signal proportionnel à la différence de gravité entre deux interféromètres.

Les sources d’atomes froids

Le SYRTE a produit les sources d’atomes froids alimentant chaque interféromètre (voir figure 2). Ces systèmes permettent de produire des nuages d’atomes à une température de 2.5 microKelvin. Le nuage est lancé verticalement avec une vitesse initiale de 4.3 m/s afin d’effectuer un vol parabolique vers la zone de l’interféromètre située au sommet. Avant leur arrivée dans l’interféromètre, les atomes subissent une sélection en vitesse par transition Raman le long de l’axe horizontal afin d’obtenir la vitesse d’entrée optimale. A l’issue de l’interféromètre le même système de lasers Raman couplé à une détection par fluorescence permettent de mesurer leur état de vitesse pendant la retombée.

Le consortium MIGA

Le projet inclut 15 laboratoires français et trois entreprises comptant des experts en physique atomique, optique, geophysique et hydrologie. Le projet est coordonné par le LP2N de l’institut d’Optique d’Aquitaine (Talence). L’instrument est installe au Laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB) dans la région Provence Alpes Côte d’Azur http://www.lsbb.eu/index.php/fr/.

Au sein du consortium, le SYRTE est chargé de la coordination des activités d’interféromètrie atomique. Nous réalisons les sources d’atomes froids et étudions les techniques avancées d’interféromètrie atomique qui permettrons d’améliorer la sensibilité ultime de l’instrument.

Status

Les sources d’atomes froids ont été réalisées et testées. Le tunnel qui doit accueillir l’instrument a été creusé et finalisé en 2022. Le transport et la connection des tubes sur place a débuté.

L’équipe MIGA au SYRTE

• Quentin Beaufils, CNRS research engineer
• Remi Geiger, Associate Professor at Sorbonne Université
• David Holleville, CNRS research engineer
• Bertrand Venon, CNRS engineer
• Arnaud Landragin, CNRS research director
• Former members : Louis Amand (2013-2016, mechanical engineer) ; Thomas Chantrait (2016-2017, mechanical engineer)

Publications

Cold-atom sources for the Matter-wave laser Interferometric Gravitation Antenna (MIGA)
Beaufils, Q., Sidorenkov, L.A., Lebegue, P. et al. Cold-atom sources for the Matter-wave laser Interferometric Gravitation Antenna (MIGA). Sci Rep 12, 19000 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23468-3

Exploring gravity with the MIGA large scale atom interferometer
MIGA collaboration
Scientific Reports volume 8, Article number : 14064 (2018)

Future Gravitational Wave Detectors Based on Atom Interferometry
Remi Geiger
arXiv:1611.09911
book "An Overview of Gravitational Waves : Theory and Detection", edited by G. Auger and E. Plagnol (World Scientific, 2017)

Low frequency gravitational wave detection with ground-based atom interferometer arrays
W. Chaibi, R. Geiger, B. Canuel, A. Bertoldi, A. Landragin, and P. Bouyer
Phys. Rev. D 93, 021101(R), 2016

Matter-wave laser Interferometric Gravitation Antenna (MIGA) : New perspectives for fundamental physics and geosciences
R. Geiger, L. Amand, A. Bertoldi, B. Canuel, W. Chaibi, C. Danquigny, I. Dutta, B. Fang, S. Gaffet, J. Gillot, D. Holleville, A. Landragin, M. Merzougui, I. Riou, D. Savoie, P. Bouyer
arXiv:1505.07137

The matter-wave laser interferometer gravitation antenna (MIGA) : New perspectives for fundamental physics and geosciences
B. Canuel, L. Amand, A. Bertoldi, W. Chaibi, R. Geiger, J. Gillot, A. Landragin, M. Merzougui, I. Riou, S.P. Schmid and P. Bouyer
E3S Web of Conferences, Volume 4, 01004 (2014) i-DUST 2014 – Inter-Disciplinary Underground Science & Technology.

Links

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Funding