Projet ANR-15-CE30-0005 – PVCM : Violation de la parité dans les molécules chirales
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Benoît Darquié (Laboratoire de Physique des Lasers)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 396240.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : L’objectif du projet PVCM est la 1ère observation d’un effet de violation de la parité (VP) dans les molécules chirales. Le fait que la force nucléaire faible ne conserve pas la symétrie de parité n’a encore jamais été mis en évidence sur des systèmes moléculaires. Ceci devrait se traduire par une différence infime entre les niveaux d’énergie des deux énantiomères d’une molécule chirale. Il en résulte, si l’on compare leur spectre vibrationnel, des différences de fréquences que nous avons l’intention de mesurer par spectroscopie laser.
Des calculs de chimie théorique prévoient, pour des complexes chiraux de métaux lourds, des décalages en fréquence dus à la VP  de ~1Hz pour des transitions à 30THz. Bien que ce niveau de sensibilité représente un défi, il peut être atteint par la technique d’interférométrie de Ramsey à 2 photons sur un jet. Plusieurs espèces candidates prometteuses ont été synthétisées à l’état solide. Cependant, notre dispositif de jet actuel n’est pas adapté à la mise en jet de molécules en phase solide à température ambiante, la fenêtre spectrale de notre spectromètre de précision est trop étroite et empêche l’étude d’un grand nombre d’espèces d’intérêt, et sa sensibilité n’est actuellement pas suffisante.
Je propose donc le développement d’une nouvelle expérience de pointe, spécifiquement conçue pour la spectroscopie vibrationnelle à ultra-haute résolution de nouvelles molécules complexes. Le dispositif expérimental combinera un interféromètre de Ramsey à base de lasers à cascade quantique (QCLs) calibré sur le standard de fréquence primaire, un nouveau détecteur qui mesurera les populations d’états moléculaires par relaxation de la précession libre sur des transition rotationnelles, et un jet moléculaire issu d’une cellule cryogénique dans laquelle les molécules sont refroidies par collision avec un gaz tampon. L’utilisation de QCLs permettra l’étude de n’importe quelle espèce ayant des raies d’absorption entre 10 et 100THz. Le nouveau détecteur améliorera notre sensibilité tout en ouvrant des perspectives nouvelles pour la manipulation cohérente de molécules chirales. Les jets moléculaires issus d’une cellule cryogénique obtenus après ablation laser de molécules en phase solide présentent à la fois une faible vitesse et des flux parmi les plus élevés à ce jour, ce qui les rend particulièrement intéressants pour la spectroscopie de haute résolution.
Il y a de nombreuses raisons pour se lancer dans cette expérience difficile. La mise en évidence de la VP dans les molécules chirales apportera un éclairage sur les origines de l’homochiralité biologique. Elle constituera également un test du modèle standard de l’univers dans le régime des basses énergies, ou pourrait même aider à sonder la physique au-delà du modèle standard. Une telle mesure aiderait à répondre à des questions ouvertes de physique nucléaire et pourrait en outre être confrontée aux protocoles de calculs utilisés en chimie quantique relativiste. Mais les développements technologiques proposés dans ce projet sont en eux-mêmes intéressants et importants, au-delà du test de VP. Ils  permettront l’étude de molécules complexes polyatomiques à un niveau de précision encore jamais atteint. Ces développements sont à l’avant-garde du domaine des molécules froides, aussi bien au  niveau de la production de jets, des techniques de manipulation cohérente, des schémas de détection de haute sensibilité que des techniques spectroscopiques. De telles technologies ouvrent la voie à toute sorte de nouvelles perspectives pour l’utilisation de molécules polyatomiques à d’autres mesures de précision d’importance en physique fondamentale, comme des tests d’autres symétries ou postulats fondamentaux, des mesures de constantes fondamentales ou de leur variation dans le temps. Elles constituent également une collection de technologies d’intérêt pour la physique de l’atmosphère ou du milieu interstellaire, la chimie, la biologie, le diagnostique médical ou industriel.