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15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 1 Université Paris 13 - Institut Galilée Laboratoire de Physique des Lasers.

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1 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 1 Université Paris 13 - Institut Galilée Laboratoire de Physique des Lasers UMR-CNRS 7538 Le spectre à très haute résolution de la molécule chirale CHFClBr à 9,3 µm : test de violation de la parité et étude de la structure hyperfine Thibaut Marrel

2 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 2 I. Introduction : la violation de la parité en physique moléculaire II. Test de très haute sensibilité de violation de parité dans le spectre de la molécule chirale CHFClBr III. Etude du spectre hyperfin de la bande de vibration à 9,3 µm de CHFClBr IV. Résultats récents et conclusion

3 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 3 I. Introduction : la violation de la parité en physique moléculaire II. Test de très haute sensibilité de violation de parité dans le spectre de la molécule chirale CHFClBr III. Etude du spectre hyperfin de la bande de vibration à 9,3 µm de CHFClBr IV. Résultats récents et conclusion

4 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 4 Symétrie de parité : (x, y, z) ( x, y, z) P 1974 : M.-A. et C. Bouchiat - 1ère proposition d expérience dans les atomes lourds depuis : Bi (Z=83), Tl (Z=81), Pb (Z=82), Cs (Z=55) 1967 : Weinberg, Glashow et Salam - théorie électro-faible 1973 : CERN - observation des courants neutres ee p p 1957 : Wu et coll. - 1ère mise en évidence expérimentale de la non conservation de P 60 Co 60 Ni + + e

5 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 5 La violation de la parité en physique moléculaire RS

6 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 6 La violation de la parité en physique moléculaire E0E0 E0E0 E 0 Inversion de la conformation :

7 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 7 La violation de la parité en physique moléculaire E0E0 E0E0 E0E0 E0E0 Violation de la parité : E E E PV = E R E L = 2

8 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 8 D.W. Rein (1973)Lien entre violation de la parité par les interactions faibles et lhomochiralité du monde vivant. M.-A. et C. Bouchiat (1974) E. Gazjago et G. Marx (1974) D.W. Rein, R.A. Hegstrom et P.G.H Sandars (1979) E PV = Z 3 Z 2 Effets des interactions faibles sur les niveaux électroniques des molécules: Letokhov (1974)Effets des interactions faibles sur les autres degrés de liberté internes 10 16

9 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 9 Expériences réalisées avant nos travaux Toutes les expériences réalisées ont comparé les fréquences vibrationnelles des énantiomères : E. Arimondo, P. Glorieux et T. Oka, Opt. Comm. 23, sur les énantiomères séparés du camphre : O.N. Kompanets, A.R. Kukudzhanov, V.S. Letokhov et L.L. Gervits, Opt. Comm. 19, sur un mélange racémique de CHFClBr 10 8

10 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 10 I. Introduction : la violation de la parité en physique moléculaire II. Test de très haute sensibilité de violation de parité dans le spectre de la molécule chirale CHFClBr III. Etude du spectre hyperfin de la bande de vibration à 9,3 µm de CHFClBr IV. Résultats récents et conclusion

11 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 11 n = 4 n = 1 4 h (R) h (S) E n e r g i e v 4 1 v 4 0 Principe de notre expérience 1. Réalisation dune mesure simultanée des fréquences de transition de deux énantiomères

12 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 12 Principe de notre expérience 2. Utilisation des énantiomères séparés de la molécule CHFClBr Première séparation efficace en 1989 par T.R. Doyle et O. Vogl. Echantillons fournis par A. Collet et J. Costante-Crassous (ENS Lyon) Test sur le mélange racémique Test sur les énantiomères séparés CHFClBr R( ) e.e. 22 % CHFClBr S( ) e.e. 56 %

13 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 13 M.E.O. bandes latérales porteuse laser Performances obtenues sur la molécule OsO 4 : Stabilité : 0,1 Hz sur 100 s, soit = Reproductibilité : 10 Hz V. Bernard et coll., IEEE J. Quantum. Electron. 31, (1995) Laser à CO 2 Source laser à CO 2 stabilisée en fréquence sur une transition moléculaire dabsorption saturée Cavité Fabry-Perot de référence

14 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 14 Cavité F.-P. remplie de CHFClBr (R) Cavité F.-P. remplie de CHFClBr (S) M.E.O. Cavité Fabry-Perot de référence bandes latérales porteuse laser Laser à CO 2

15 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 15

16 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL MHz Pression: Pa Puissance intracavité: 9 mW Finesse des résonateurs de 3 m: 50 Modulation: 12 kHz Harmonique de détection: 3 Constante de temps: 30 ms Fréquence (kHz) CHFClBr (R) dans la cavité B CHFClBr (S) dans la cavité A

17 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 17 Protocole expérimental 60 mesures par journée : D i f f é r e n c e d e f r é q u e n c e ( H z ) ( ) ( + ) m i - j o u r n é e 75,10 Hz 66,11 Hz (CFPA+(R)) (CFPB+(S)) (CFPB+(R)) (CFPA+(S)) PV Autres Statistique 2 (1) (2) 2 4,50 Hz Cavités (1) (2) 2 70,60 Hz PV Statistique Cavités Autres

18 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 18 Compensation des effets systématiques 167 Hz 47 Hz Numéro de spectre Avant compensationAprès compensation

19 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 19 Résultats Moyenne +3,7 Hz Ecart quadratique moyen 47 Hz 580 mesures sur 10 journées 3,7 2 5 Hz La précision sur la comparaison des fréquences de résonance est égale à 1/ ième de la largeur de raie.

20 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 20 Conclusions Compte-tenu de lexcès énantiomérique des échantillons : R S 9,4 5,1 12,7 Hz Ce résultat améliore de près de 5 ordres de grandeur sur les précédents tests, réalisés sur CHFClBr et sur le camphre Pour repousser cette borne expérimentale : améliorations techniques du dispositif recherche dune résonance mieux adaptée

21 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 21 I. Introduction : la violation de la parité en physique moléculaire II. Test de très haute sensibilité de violation de parité dans le spectre de la molécule chirale CHFClBr III. Etude du spectre hyperfin de la bande de vibration à 9,3 µm de CHFClBr IV. Résultats récents et conclusion

22 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 22 cm Bande de vibration n 4 15 MHz Centre : 9,3 µm = 32,2 THz Spectre TF (A. Valentin)

23 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 23 Bande de vibration n 4 15 MHz 90 kHz 5 kHz 18 kHz

24 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 24 cm Bande de vibration n 4 1 MHz

25 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 25 cm Bande de vibration n 4 10 MHz

26 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 26 H H vib H rot H Q H vib h 4 ( N 4 1/2 ) v 4 0 v 4 1 h 4 H rot AJ a 2 BJ b 2 + CJ c 2 + Corrections centrifuges A, B, C, et constantes centrifuges A, B, C, et constantes centrifuges (Br) (Cl) (Br) (Cl) H Q = V Br ·Q Br + V Cl ·Q Cl I Br 3/2 I Cl 3/2 (2I Br + 1)(2I Cl + 1) = 16 H DM I H 1/2 I F 1/2

27 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 27 H H vib H rot H Q v 4 0 v 4 1 h 4 A, B, C, et constantes centrifuges A, B, C, et constantes centrifuges (Br) (Cl) (Br) (Cl) A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys. 106, (1997).

28 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 28 Constantes quadrupolaires du niveau v 4 1 déduites des structures hyperfines expérimentales,675(19) Cl bb (MHz) 8,5459(46) 8,352(23) Cl ab (MHz) 51,27(16) 60,3(73) Cl ac (MHz)23,86(28)29,2(14) Cl bc (MHz)19,36(37)12(16) N16869 (kHz)4,74,9 exp (kHz)51 Espèce isotopique CHF 35 Cl 79 Br : [1] A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys. 106, (1997).

29 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Structure hyperfine de (24,2,22) (25,3,23) de CHF 35 Cl 79 Br à MHz MHz

30 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 30 Structure hyperfine de (24,2,22) (25,3,23) de CHF 35 Cl 79 Br à MHz MHz

31 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 31 Structure hyperfine de (40,7,34) (40,8,33) de CHF 35 Cl 81 Br à 1074,64 cm Structure hyperfine de (40,7,34) (40,8,33) de CHF 35 Cl 81 Br à 1074,64 cm 1 Structure hyperfine de (40,7,34) (40,8,33) et (49,10,39) (49,11,38) de CHF 35 Cl 81 Br à 1074,64 cm 1 MHz

32 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 32 Le rapport des constantes quadrupolaires de 2 espèces isotopiques est indépendant du niveau vibrationnel. (v 4 =0) (v 4 =1) CHF 35 Cl 79 Br CHF 35 Cl 81 Br CHF 37 Cl 79 Br CHF 37 Cl 81 Br A. Bauder et coll.déterminées " " " ? ? abondance 38,0 % 36,9 % 12,2 % 11,8 %

33 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Transition rovibrationnelle (24,2,22) (25,3,23) de CHF 37 Cl 79 Br à MHz MHz

34 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 34 Conclusions Détermination des tenseurs quadrupolaires de Br et Cl de létat v 4 =1 pour les 4 espèces isotopiques. Prédiction des structures hyperfines avec une précision de quelques kHz. Collaboration envisagée avec les équipes de Zürich. Choix dune résonance favorable pour un nouveau test de violation de parité: Fréquence (kHz) 60 kHz Transitions rovibrationnelles (37,1,37) (36,0,36) et (37,0,37) (36,1,36) de CHF 37 Cl 79 Br

35 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 35 I. Introduction : la violation de la parité en physique moléculaire II. Test de très haute sensibilité de violation de parité dans le spectre de la molécule chirale CHFClBr III. Etude du spectre hyperfin de la bande de vibration à 9,3 µm de CHFClBr IV. Résultats récents et conclusion

36 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Réalisation dun nouveau test de violation de parité Ecart de fréquence ( ) ( ) (Hz) 100 Hz Premier test - Avril 1998 : 3,7 Hz / n Hz 100 Hz Nouveau test - Juillet 2000 : 4,17 Hz n 0,6 Hz Ecart de fréquence ( ) ( ) (Hz)

37 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Retombées théoriques de nos travaux Calcul de leffet de violation de la parité sur les fréquences de vibration de CHFClBr : harmoniqueanharmonique +45,3 Viglione, Zanasi, Lazzeretti Libague (2000) +30,6 80,6 Quack, Stohner (2000) +50,0 62,3 Laerdahl, Schwerdtfeger, Quiney (2000) ( ) / ,99 mHz 4 (R) harm 4 (S) harm 1,61 mHz 2,6 mHz 4 (R) 4 (S) 2,0 mHz Calcul de cet effet dans dautres halométhanes : CHFBrI élongation C Br 679 cm 1 (R) (S) 0,18 Hz Laerdahl, Schwerdtfeger, Quiney (2000)

38 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Perspectives Choix dune autre molécule test CHFBrI 0,18 Hz CHFClI (J. Costante-Crassous, E.N.S. Lyon), PbHFClBr,... Autres projets dexpérience Expériences de spectroscopie sub-Doppler en jet moléculaire. Propositions de J.-B. Robert et M. Quack. A.S. Lahamer et coll., Phys. Rev. Letters 85, 4470 (20 novembre 2000). Spectroscopie Mössbauer de Fe(phen 3 ) 2 Sb 2 (C 4 H 2 O 6 ) 2


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