Tester l’électrodynamique quantique avec des atomes ultrafroids

Une équipe de physiciens du Laboratoire Kastler Brossel (CNRS / UPMC / ENS) vient de réaliser une nouvelle mesure de la « constante de structure fine » qui permet le test le plus précis à ce jour de la l’électrodynamique quantique, la théorie qui décrit les interactions entre lumière et matière.

La constante de structure fine, nommée usuellement α, est une constante fondamentale dont la définition associe relativité, physique quantique et électromagnétisme. Elle caractérise la force des interactions entre lumière et matière dans la théorie de l’électrodynamique quantique et intervient dans de très nombreux phénomènes physiques que les physiciens savent calculer et mesurer avec une précision extrême. La nouvelle valeur, α =1/137 035 999 037 (91), obtenue par les physiciens du Laboratoire Kastler Brossel avec des atomes ultrafroids, est près de 10 fois plus précise que la précédente valeur. En comparant cette valeur avec une autre valeur de cette même constante, obtenue avec des électrons piégés, et dont la précision est comparable, les chercheurs ont pu sonder des effets inaccessibles jusqu’à présent. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters est ainsi le premier test des corrections quantiques associées au muon et au proton, dans l’une des grandeurs de référence pour les tests de l’électrodynamique quantique : le moment magnétique anormal de l’électron.

La constante de structure fine apparaît de façon fondamentale dans l’atome d’hydrogène, et dépend du rapport entre l’énergie d’ionisation de l’atome et l’énergie de masse d’un électron. En s’appuyant sur la très bonne connaissance de l’énergie d’ionisation de l’atome d’hydrogène (mesurée en termes de fréquence), et du rapport entre la masse de l’électron et celle de l’atome de rubidium, les chercheurs se sont attachés à déterminer l’énergie de masse de l’atome de rubidium mesurée en termes de fréquence. Le principe de leur expérience consiste à mesurer la vitesse à laquelle recule un atome de rubidium lorsqu’il absorbe un photon, ou plutôt, comment celui-ci recule lorsqu’il absorbe et renvoie successivement mille photons identiques d’énergie parfaitement déterminée. Ils ont mesuré ce changement de vitesse, qui vaut de l’ordre de 6 mètres par seconde avec une précision de 0,06 µm/s. Une performance rendue possible par l’utilisation d’atomes de rubidium ultrafroids, piégés. Le résultat de cette mesure leur a permis de déterminer la constante de structure fine α =1/137 035 999 037 (91), puis de comparer cette valeur à une autre mesure reposant sur l’étude d’une une propriété physique de l’électron, (son « moment anormal »), mesuré par ailleurs par le groupe de G. Gabrielse à l’université d’Harvard avec une très grande précision. L’accord à mieux d’un milliardième des deux résultats fournit le meilleur test à ce jour de l’électrodynamique quantique.