Projet ANR-12-JS04-0009 – INAQED : Interférométrie atomique de haute précision et test de l'électrodynamique quantique.
Programme : JCJC - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (JCJC SIMI 4) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Pierre CLADÉ (Laboratoire Kastler Brossel)
Partenaires : Laboratoire Kastler Brossel
Montant : 288080.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Ce projet porte sur la détermination de la constante de structure fine alpha avec une incertitude inférieure à 10^{-10}. Cette mesure sera trois fois plus précise que la mesure de alpha obtenue à partir la mesure de l'anomalie du moment magnétique de l'électron en utilisant la théorie de l'électrodynamique quantique (QED). Elle sera sept fois plus précise que les mesures n'utilisant pas la QED. Cette nouvelle mesure permettra donc d'améliorer le test de la QED utilisant l'anomalie du moment magnétique de l'électron. Ce projet va nécessiter la construction d'un interféromètre atomique afin de mesurer précisément le rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome. Ce rapport sera déduit de la mesure du recul atomique d'un atome qui absorbe un photon. Ce rapport constitue le facteur limitant de la détermination la plus précise de alpha qui est indépendante de la QED. 
L'électrodynamique quantique a été introduite dans les années 40 pour décrire les lois de l'électromagnétisme dans un cadre à la foi quantique et relativiste. Elle a permis de comprendre deux phénomènes qui n'étaient pas décrits dans la théorie précédente de Dirac. Ces deux phénomènes (le déplacement de Lamb et l'anomalie du moment magnétique de l'électron) sont toujours utilisés pour tester précisément cette théorie. En effet il est important d'un point de vue théorique de tester la QED avec le plus de précision possible, car cela permet de tester une partie du modèle standard et aussi potentiellement de voir des effets au delà de ce modèle. Afin de réaliser ce test, la constant de structure fine, qui est le paramètre libre de la QED doit être connue précisément. 
Le rapport entre l'énergie cinétique d'un électron et son énergie de masse dans l'état fondamental de l'atome d'hydrogène est directement lié au carré de la constante de structure fine. Ce rapport ne peut pas être déduit directement de la spectroscopie de l'atome d'hydrogène, car il faut pouvoir comparer une énergie mesurée en terme de fréquence $h\nu$ et une énergie mesurée en terme de masse $mc^2$. L'objectif de notre interféromètre est de mesurer précisément ce rapport h/m à l'aide d'atomes de rubidium. Cette mesure aura donc aussi un impact plus général sur les mesures de masses atomiques. En effet, le comité international chargé de définir les unités du système international projette de redéfinir le kilogramme en fixant la constante de Planck. Notre mesure permettra donc de relier au kilogramme l'unité de masse atomique. 
Nous voulons construire un interféromètre de "nouvelle génération". La source d'atomes utilisera les techniques utilisées pour les condensats de Bose-Einstein (évaporation rapide dans un piège dipolaire). Nous allons surtout développer de nouvelles techniques interférométriques afin d'augmenter la sensibilité de l'interféromètre. Nous allons utiliser la technique des lames séparatrices à transfert important d'impulsion. Cette technique semble être très prometteuse et est développée dans de nombreux laboratoires. Ce projet fait suite à plus de dix années de recherches au laboratoire Kastler Brossel en interférométrie atomique qui est un leader international dans ce domaine. Il se situe dans l'effort international visant à améliorer la sensibilité des interféromètres atomiques. Notre expérience ne va donc pas seulement être utile pour la détermination de la constante de structure fine, mais elle pourra aussi avoir des applications importantes en interférométrie atomique, en particulier pour les capteurs inertiels utilisés pour la navigation ou la géophysique.