Accélérer des atomes avec des photons pour mesurer la constante de structure fine
François Biraben (Laboratoire Kastler Brossel, ENS/Paris 6/CNRS)

Jeudi 18 janvier 2007

Les méthodes de refroidissement laser permettent de réduire l’agitation thermique des atomes pour obtenir des vitesses de quelques cm/s. Il devient alors possible d’observer et de mesurer la vitesse de recul qu’acquiert un atome lorsqu’il émet ou absorbe un photon. Cette mesure permet de déduire le rapport h/M_A, où h est la constante de Planck et M_A la masse de l’atome considéré. De là, en utilisant d’autres constantes fondamentales très bien connues (constante de Rydberg, rapport entre la masse de l’électron et celle de l’atome), on peut déduire la constante de structure fine \alpha = e^2 / 2\epsilon_0 hc.
Après une présentation générale sur la signification physique de la constante de structure fine et l’intérêt de sa mesure, je passerai en revue les diverses méthodes utilisées pour la déterminer . Je présenterai ensuite l’expérience que nous avons faite pour mesurer précisément le recul d’un atome. Elle repose sur deux méthodes optiques : d’une part la sélection et la mesure très précise de la vitesse d’un nuage d’atomes froids grâce à des transitions Raman (incertitude sur la mesure de vitesse inférieure à 1 µm/s), d’autre part l’accélération des atomes de manière cohérente à l’aide d’une onde stationnaire dans le référentiel des atomes (oscillations de Bloch). La variation de la vitesse des atomes induite par l’accélération cohérente est un multiple entier de la vitesse de recul. La connaissance des vitesses finale et initiale des atomes permet de remonter à la quantité de mouvement transférée et donc à la vitesse de recul de l’atome. Une première série d’expérience a permis de mesurer \alpha avec une incertitude relative de 6,7 × 10^-9 en transférant par accélération cohérente environ 900 fois la vitesse de recul.
Enfin, je discuterai les évolutions à court et moyen termes de cette expérience et son apport dans le contexte d’une éventuelle redéfinition du kilogramme.