Le spectre à très haute résolution

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1 Le spectre à très haute résolution
15 décembre 2000 Université Paris 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 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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

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

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15 décembre 2000 Symétrie de parité : (x, y, z) (-x, -y, -z) P 1957 : Wu et coll. - 1ère mise en évidence expérimentale de la non conservation de P 60Co Ni + n + e- 1967 : Weinberg, Glashow et Salam - théorie électro-faible 1973 : CERN - observation des courants neutres e p g 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) 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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

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15 décembre 2000 La violation de la parité en physique moléculaire Inversion de la conformation : E0 d d* E0+|d| E0-|d| 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 La violation de la parité en physique moléculaire Violation de la parité : E0 E0+|e| E0-|e| DEPV = |ER-EL| = 2 |e| E0 e e* 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 D.W. Rein (1973) Lien entre violation de la parité par les interactions faibles et l’homochiralité 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) DEPV = Z3 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 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Expériences réalisées avant nos travaux Toutes les expériences réalisées ont comparé les fréquences vibrationnelles des énantiomères. 1976 : O.N. Kompanets, A.R. Kukudzhanov, V.S. Letokhov et L.L. Gervits, Opt. Comm. 19, sur un mélange racémique de CHFClBr Dn/n  10-8 1977 : E. Arimondo, P. Glorieux et T. Oka, Opt. Comm. 23, sur les énantiomères séparés du camphre Dn/n  10-8 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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

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15 décembre 2000 Principe de notre expérience 1. Réalisation d’une mesure simultanée des fréquences de transition de deux énantiomères n = 4 1 h ( R ) S E e r g i v4=1 v4=0 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 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) Dn CHFClBr R(-) e.e. = 22 % Dn G CHFClBr S(+) e.e. = 56 % Test sur le mélange racémique Test sur les énantiomères séparés Dn  G 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

13 Source laser à CO2 stabilisée en fréquence
15 décembre 2000 Source laser à CO2 stabilisée en fréquence sur une transition moléculaire d’absorption saturée Performances obtenues sur la molécule OsO4: Stabilité : 0,1 Hz sur 100 s, soit Dn/n = Reproductibilité : 10 Hz V. Bernard et coll., IEEE J. Quantum. Electron. 31, (1995) porteuse laser Cavité Fabry-Perot de référence bandes latérales M.E.O. Laser à CO2 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Cavité F.-P. remplie de CHFClBr (S) Cavité F.-P. remplie de CHFClBr (R) M.E.O. Cavité Fabry-Perot de référence bandes latérales porteuse laser Laser à CO2 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 15 MHz Fréquence (kHz) 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 CHFClBr (R) dans la cavité B CHFClBr (S) dans la cavité A 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Protocole expérimental 60 mesures par journée : Dn (1) = +75,10 Hz Dn (2) = -66,11 Hz 10 20 30 40 50 60 -200 -100 100 D i f é r e n c d q u ( H z ) + - m j o Dn (1) = n(CFPA+(R))-n(CFPB+(S)) = DnPV + DnStatistique + DnCavités + DnAutres Dn (2) = n(CFPB+(R))-n(CFPA+(S)) = DnPV + DnStatistique - DnCavités + DnAutres DnCavités = Dn (1) - Dn (2) 2 = +70,60 Hz DnPV + + DnAutres = DnStatistique 2 Dn (1) + Dn (2) 2 = +4,50 Hz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Compensation des effets systématiques Avant compensation Après compensation 1 2 3 4 5 - D i f é r e n c d q u ( ) + H z N m o s p t s = 47 Hz N u m é r o d e s p c t 300 -300 200 100 -100 -200 s = 167 Hz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Résultats - 2 1 5 N o m b r e d s u H z G a i n ( R ) S Moyenne +3,7 Hz Ecart quadratique moyen 47 Hz 580 mesures sur 10 journées Dn = 3,7  2  5 Hz La précision sur la comparaison des fréquences de résonance est égale à 1/20 000ième de la largeur de raie. 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Conclusions Compte-tenu de l’excès énantiomérique des échantillons : n(R-) - n(S+) = 9,4  5,1  12,7 Hz Dn n  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 d’une résonance mieux adaptée 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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

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15 décembre 2000 Bande de vibration n4 cm -1 1080 1100 1060 Centre : 9,3 µm = 32,2 THz Spectre TF (A. Valentin) 15 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Bande de vibration n4 18 kHz 5 kHz 90 kHz 15 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Bande de vibration n4 cm -1 1080 1100 1060 1 MHz 1 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 Bande de vibration n4 cm -1 1080 1100 1060 10 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 H = Hvib + Hrot + HQ A, B, C, et constantes centrifuges cab(Br) cab(Cl) v4=1 Hvib = hn4 ( N4 + 1/2 ) Hrot = AJa2 + BJb2 + CJc2 + Corrections centrifuges hn4 HQ = VBr ·QBr + VCl ·QCl IBr = 3/2 ICl = 3/2 (2IBr + 1)(2ICl + 1) = 16 v4=0 HDM IH = 1/2 IF = 1/2 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 H = Hvib + Hrot + HQ A, B, C, et constantes centrifuges cab(Br) cab(Cl) v4=1 hn4 cab(Br) cab(Cl) v4=0 A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys. 106, (1997). 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

28 Constantes quadrupolaires du niveau v4=1
15 décembre 2000 Constantes quadrupolaires du niveau v4=1 déduites des structures hyperfines expérimentales Espèce isotopique CHF35Cl79Br : v 4 = [ 1 ] c B r a ( M H z ) 5 6 , 7 9 b - 2 3 8 C l - , 6 7 5 ( 1 9 ) c C l ( M H z ) - 8 , 5 4 5 9 ( 4 6 ) - 8 , 3 5 2 ( 2 3 ) b b c C l ( M H z ) - 5 1 , 2 7 ( 1 6 ) - 6 , 3 ( 7 3 ) a b c C l ( M H z ) 2 3 , 8 6 ( 2 8 ) 2 9 , 2 ( 1 4 ) a c c C l ( M H z ) 1 9 , 3 6 ( 3 7 ) 1 2 ( 1 6 ) b c N 1 6 8 6 9 s ( k H z ) 4 , 7 4 , 9 d n ( k H z ) 5 1 e x p [1] A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys. 106, (1997). 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

29 Structure hyperfine de (24,2,22)  (25,3,23)
15 décembre 2000 Structure hyperfine de (24,2,22)  (25,3,23) de CHF35Cl79Br à MHz -0.25 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

30 Structure hyperfine de (24,2,22)  (25,3,23)
15 décembre 2000 0.2 0.4 0.6 Structure hyperfine de (24,2,22)  (25,3,23) de CHF35Cl79Br à MHz 1.6 1.8 2 2.2 2.4 1 2 3 4 5 6 7 MHz 3.2 3.4 3.6 3.8 4.8 5 5.2 5.4 5.6 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

31 Structure hyperfine de (40,7,34)  (40,8,33)
15 décembre 2000 Structure hyperfine de (40,7,34)  (40,8,33) et (49,10,39)  (49,11,38) de CHF35Cl81Br à 1074,64 cm-1 Structure hyperfine de (40,7,34)  (40,8,33) de CHF35Cl81Br à 1074,64 cm-1 Structure hyperfine de (40,7,34)  (40,8,33) de CHF35Cl81Br à 1074,64 cm-1 -2 2 4 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

32 Le rapport des constantes quadrupolaires de 2 espèces isotopiques
15 décembre 2000 cab (v4=0) cab (v4=1) CHF35Cl79Br CHF35Cl81Br CHF37Cl79Br CHF37Cl81Br A. Bauder et coll. déterminées "  " ? abondance 38,0 % 36,9 % 12,2 % 11,8 % Le rapport des constantes quadrupolaires de 2 espèces isotopiques est indépendant du niveau vibrationnel. 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

33 Transition rovibrationnelle (24,2,22)  (25,3,23)
15 décembre 2000 Transition rovibrationnelle (24,2,22)  (25,3,23) de CHF37Cl79Br à MHz 1 2 3 4 MHz 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

34 Conclusions pour les 4 espèces isotopiques.
15 décembre 2000 Conclusions  Détermination des tenseurs quadrupolaires de Br et Cl de l’état v4=1 pour les 4 espèces isotopiques.  Prédiction des structures hyperfines avec une précision de quelques kHz.  Collaboration envisagée avec les équipes de Zürich.  Choix d’une résonance favorable pour un nouveau test de violation de parité: -100 -50 50 100 Fréquence (kHz) 60 kHz Transitions rovibrationnelles (37,1,37)  (36,0,36) et (37,0,37)  (36,1,36) de CHF37Cl79Br 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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

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15 décembre 2000 1. Réalisation d’un nouveau test de violation de parité Ecart de fréquence (-)-(+) (Hz) 100 Hz Premier test - Avril 1998 : Dn=+3,7 Hz s/n=2 Hz 100 Hz Nouveau test - Juillet 2000 : Dn=-4,17 Hz s/  n=0,6 Hz Ecart de fréquence (-)-(+) (Hz) 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 2. Retombées théoriques de nos travaux Calcul de l’effet de violation de la parité sur les fréquences de vibration de CHFClBr : harmonique anharmonique +45,3 Viglione, Zanasi, Lazzeretti Libague (2000) +30,6 - 80,6 Quack, Stohner (2000) +50,0 62,3 Laerdahl, Schwerdtfeger, Quiney (2000) (Dn/n) /10-18 0,99 mHz  n4(R)harm - n4(S)harm  1,61 mHz -2,6 mHz  n4(R) - n4(S)  -2,0 mHz Calcul de cet effet dans d’autres halométhanes : CHFBrI élongation C-Br n=679 cm-1 n(R)-n(S)= -0,18 Hz Laerdahl, Schwerdtfeger, Quiney (2000) 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL

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15 décembre 2000 3. Perspectives  Choix d’une autre molécule test CHFBrI Dn=0,18 Hz CHFClI (J. Costante-Crassous, E.N.S. Lyon), PbHFClBr, ...  Autres projets d’expérience 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(phen3)+2Sb2(C4H2O6)-2 15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL Laboratoire de Physique des Lasers Thèse Thibaut MARREL