Spectroscopie laser de molécules refroidies sensibles à la violation de parité-temps // laser spectroscopy of cold molecules sensitive to parity and time-reversal violation

Topic description

La violation des symétries fondamentales de parité et de renversement du temps se manifeste dans l'atome à travers le moment dipolaire électrique, le moment quadripolaire magnétique ou le moment de Schiff. Dans les molécules, ces effets peuvent être amplifiés de plus de cinq ordres de grandeur grâce à l'existence de doublets de parité opposée ayant des écarts d'énergie extrêmement faibles. Les noyaux lourds qui présentent une déformation octupolaire renforcent davantage la brisure de symétrie, ce qui pourra finalement permettre d'observer la violation par des expériences de haute précision, en particulier dans les systèmes qui contiennent des atomes de francium, de radium ou d'un actinide.
Cependant, l'exploit de contraindre expérimentalement dans une molécule une symétrie fondamentale brisée reste à ce jour hors de portée. Certes un grand progrès technique a été réalisé au cours des 20 dernières années et a été appliqué aux systèmes atomiques, mais le domaine moléculaire demeure inexploré. Bien que des espèces composées prometteuses aient été identifiées en partant de considérations théoriques et que des fenêtres d'opportunité dans les laboratoires d'accélérateurs aient été proposées, les propriétés spectroscopiques de ces systèmes restent entièrement inconnues. Les énergies et les configurations des états excités, le potentiel d'ionisation et surtout les conditions pratiques de l'inévitable refroidissement par laser n'ont pas été établis. Ce n'est que pour les monofluorures de radium et d'actinium que la spectroscopie moléculaire par laser a été réalisée il y a quelques années. Ces expériences ont été des réussites remarquables, puisqu'il a été possible de raccourcir considérablement le temps pour obtenir des résultats significatifs grâce à des prédictions théoriques précises .
Dans le cadre de notre collaboration avec les laboratoires du Ganil à Caen (France) et du Triumf à Vancouver (Canada), nous avons décidé de saisir l'occasion et de tirer parti de nos installations expérimentales existantes en France et au Canada pour contribuer à cette interface émergeante entre la physique nucléaire et moléculaire, qui revêt d'une importance directe pour notre compréhension des interactions fondamentales de la nature. Nous voulons nous concentrer d'abord sur la production de molécules froides dans un état quantique approprié dans un jet gazeux au Ganil et nous participerons à des expériences de photo-association de molécules de francium au Triumf.
Lors des expériences actuelles, la température ambiante des molécules qui interagissent avec la lumière laser masque toute sensibilité aux symétries fondamentales. Le refroidissement par laser est alors considéré comme un des moyens les plus efficaces afin d'atteindre les températures requises qui sont de l'ordre de quelques millikelvins, mais le fossé à combler à partir de la température ambiante est énorme. Nos expériences au Ganil offrent toutefois une alternative. Des isotopes d'éléments lourds tels que les actinides peuvent être produits et injectés dans un jet d'argon. L'expansion supersonique du gaz permet d'obtenir des températures de 20 mK, bien adaptées comme point de départ au refroidissement par laser et à la préparation du nuage moléculaire pour sonder les symétries fondamentales.
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The violation of the fundamental parity and time-reversal symmetries is manifested in the atom through the appearance of an electric dipole, magnetic quadrupole or Schiff moment. In molecules these effects can be enlarged by more than five orders of magnitude because of the occurrence of doublets of opposite parity with extremely small energy splittings. Heavy nuclei with octupolar deformation may enhance the symmetry breaking even further, ultimately making it possible to probe the violation by dedicated high-precision experiments, particularly in systems that contain francium atoms, radium or any of the actinide elements beyond.
However, to experimentally constrain a broken fundamental symmetry in a molecule still appears beyond our present-day reach. Great technical progress has been achieved over the last 20 years and has been applied to atomic systems, but the molecular realm stands unexplored. While some of the compound species that are promising for these measurements have been identified from theoretical considerations and corresponding opportunies at accelerator laboratories have been put forward, the spectroscopic properties of many of them remain entirely unknown. The energies and configurations of excited states, the ionisation potential, and in particular, the practical conditions that must allow for the necessary laser cooling have not been established. Only for radium and actinium monofluoride molecular laser spectroscopy was achieved in collinear resonance ionisation spectroscopy some years ago. These experiments were remarkably successful, as it was possible through accurate theoretical predictions to narrow down the search range for the parameters of interest, much shortening the time that was needed to obtain significant results.
Within our collaboration with the Ganil laboratory in Caen (France) and the Triumf accelerator facility in Vancouver (Canada) we have decided to seize the momentum and take advantage of our existing experimental installations both in France and Canada to contribute to this interface of nuclear and molecular physics that is with direct relevance for our understanding of nature's fundamental interactions. Our primary focus lies on producing the cold molecules in the appropriate quantum state in a gas jet at Ganil and participate in ongoing photo-association experiments of francium molecules at Triumf.
At this time, the ambient temperature of the molecules when they interact with the laser light obscures any sensitivity to fundamental symmetries. Laser cooling is regarded as one of the most efficient ways forward to reach the required temperatures of the order of some millikelvin, but the gap when starting from a sample at room temperature is large to bridge. Our experiments at Ganil, however, present us with an favourable alternative. Isotopes of heavy elements such as actinides can be produced and injected in a jet of argon gas. The supersonic expansion of the gas provides temperatures of 20 mK, well suited for subsequent laser cooling and preparing the molecular cloud for tests of fundamental symmetries.
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Début de la thèse : 01/10/
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