15 mai 2023
Le but de ce nouveau projet est de réaliser des mesures d’interactions à faible distance en utilisant des techniques d’interférométrie atomique. Cette expérience permettra de réaliser des mesures précises de gravité à courte distance, à la recherche d’éventuelles déviations aux lois connues. Ce type de violation est lié aux possibles nouvelles interactions de type gravitationnel avec des portées de l’ordre du micron, postulées dans nombreuses théories d’unification. La mesure de ce type d’interactions est une des voies possibles pour l’observation des premiers signaux expérimentaux de la physique nouvelle au-delà du modèle standard.
Le projet FORCA-G se propose de fournir des contraintes (ou de mettre en évidence une violation) dans le domaine de l’infiniment petit, en ciblant la zone d’intérêt particulier autour du micron. Un modèle phénoménologique simple décrit une éventuelle nouvelle interaction comme une modification du potentiel newtonien par un terme de type Yukawa :
où est le potentiel Newtonien, et α et λ sont l’amplitude et la portée de la nouvelle interaction. Les objectifs de ce projet sont l’amélioration des sensibilités actuelles sur α dans la gamme des portées allant de 100 nm à 10 μm, et une mesure précise (ainsi qu’une bonne annulation) du potentiel Casimir-Polder entre un atome et une surface. Ce dernier effet, qui constitue une des limitations principales pour la mesure de nouvelles interactions, mérite en effet d’être étudié pour lui-même : il s’agit en fait de la manifestation la plus accessible à l’échelle macroscopique des fluctuations quantiques du vide.
La description plus détaillé de l’expérience est disponible sur le site web de l’équipe Interférométrie Atomique et Capteurs Inertiels. Le principe est basé sur la proposition initiale de P. Wolf et al, Phys Rev A 75, 063608 (2007) et consiste à piéger des atomes de Rb dans un réseau optique formé d’une onde stationnaire laser. Le miroir qui réfléchit le laser tient lieu de la surface avec laquelle interagissent les atomes.
L’équipe Théorie et Métrologie a accompagné cette expérience par une modélisation détaillée et l’estimation de l’exactitude attendue. Un premier travail a consisté à calculer les états des atomes dans le contexte de l’expérience et en particulier lors qu’ils sont proches de la surface.
- Etats quantiques d’un atome proche de la surface
- Fonctions d’onde des premiers quatre états en fonction de la distance à la surface z (en unités de = 266 nm). En rouge les fonctions correspondantes loin de la surface.
Par la suite nous avons modélisé et suggéré des différentes configurations d’interférométrie avec ces états afin d’estimer et optimiser les performances pour la mesure à la fois de l’effet Casimir-Polder à une exactitude non encore atteinte, ainsi que la recherche de déviations à la loi de Newton.
- Limites Yukawa attendus de FORCA-G
- Contraintes attendus de FORCA-G dans le plan (voir ci-dessus) en rouge et pointillé, et zone exclue actuellement en jaune.
Ces travaux sont publiés dans :
Messina, R. ; Pelisson, S. ; Angonin, M.-C. & Wolf, P., Atomic states in optical traps near a planar surface Phys. Rev. A, 2011, 83, 052111.
Pelisson, S. ; Messina, R. ; Angonin, M.-C. & Wolf, P., Dynamical aspects of atom interferometry in an optical lattice in proximity to a surface Phys. Rev. A, 2012, 86, 013614.
Pelisson, S. ; Messina, R. ; Angonin, M.-C. & Wolf, P., Lifetimes of atoms trapped in an optical lattice in proximity of a surface Phys. Rev. A, 2013, 88, 013411.