Agrégats et surfaces sous excitations intenses – Tests de QED en champs forts

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• Membres permanents : Martino Trassinelli, Christophe Prigent, Emily Lamour, Sébastien Steydli, Dominique Vernhet

Pour tester l’électrodynamique quantique dans des régimes extrêmes, nous avons mené une expérience sur l’uranium héliumoïde (U⁹⁰⁺), un ion ne contenant que deux électrons. L’objectif était de mesurer avec une précision sans précédent la transition 2p_3/2 → 2s_1/2, une transition intra-couche pratiquement impossible à observer dans les ions hydrogénoïdes. Cette transition, émettant des photons de quelques keV, differement des transitions n=2→ 1 est accessible à la spectroscopie par diffraction de Bragg en réflexion, une méthode centenaire mais toujours d’une résolution remarquable.

Pour produire ces ions, les atomes d’uranium sont accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière à l’institut GSI/FAIR en Allemagne, pour en suite traverser une fine feuille métallique pour les dépouiller de presque tous leurs électrons. Les ions ainsi obtenus ont été stockés dans un anneau de stockage, l’ESR, où un vide extrême limite les collisions résiduelles. En suite, la transition cherché est obtenue en faisant capturer un électron par des ions hydrogénoides (avec un seul électron) intéragissant avec un cible gazeuse consistant dans en un jet supersonique.

Figure 1 : Fonctionnement d’un spectromètre de Bragg pour des sources stationnaires (à gauche) et en mouvement (à droite). Dans le cas de sources stationnaires, des photons à des énergies différentes correspondent à des angles de Bragg différents qui sont visualisés par un détecteur de position (une caméra CCD sensible aux rayons X par exemple) comme lignes spectrales à des positions différentes, comme dans le cadre en bas. Dans le cas d’ions rapides, les transitions atomiques sont induites par la capture électronique d’un jet de gaz qui intercepte le faisceau d’ions. À cause de l’effet Doppler, l’énergie des photons dans le référentiel du laboratoire dépend de la vitesse des ions (v = βc) et de l’angle d’observation θ_obs, ici proche de 90˚. À cause de l’extension finie, le cristal « voit » plusieurs angles d’observations, qui correspondent à des énergies légèrement différentes et donc à des valeurs de  en faisant apparaître la ligne spectrale tiltée. Dans notre cas, nous utilisons la transition K du zinc comme calibration stationnaire et un spectromètre avec une géométrie de Johan avec un cristal courbé de germanium (220) avec un angle de courbure  m. Dans cette géométrie, le détecteur de position doit être placé en proximité du cercle de Rowland (ligne fine dans les figures), le cercle tangent au cristal avec un diamètre égal à R.

La spectroscopie de Bragg couplée au stockage d’ions rapide : une précision record

La clé de cette expérience réside dans l’utilisation d’un pair de spectromètres de Bragg équipés d’un cristal de germanium courbé et l’utilisation intelligente de l’effet Doppler. La spectroscopie de Bragg est une technique permet de mesurer l’énergie des photons émis avec une résolution exceptionnelle. Cependant, un défi majeur sont les effets systématiques liés à l’effet Doppler, dû à l’incertitude de la position du jet supersonique par rapport aux spectromètres, plus précisément l’angle d’observation θ_obs, et à la vitesse élevée des ions. Pour y parvenir, la vitesse des ions à été ajustée de manière à ce que les transitions de l’uranium héliumoïde et celles des ions de référence (lithiumoïde U⁸⁹⁺ et bérylliumoïde U⁸⁸⁺) apparaissent à la même énergie dans le référentiel du laboratoire. Une source stationnaire de zinc a également été utilisée et comparée à l’émission des ions de référence mobiles pour étalonner l’angle d’observation avec une précision de 0,01°. En suite, en comparant les transitions de références mobiles à celle de l’uranium héliumoïde, l’erreur systématique résiduel de l’effet Doppler a ensuite été réduit d’un facteur proportionnel à l’inverse de la différence entre les vitesses des ions.

Grâce à cette approche, l’énergie de la transition 2p_3/2 → 2s_1/2 a été mesurée avec une incertitude de seulement 37 parties par million (ppm), soit 0,17 eV sur une énergie de 4 510 eV. Cette précision a permis de confirmer pour la première fois les prédictions non perturbatives d’ordre élevé de la QED dans un ion lourd à deux électrons. Elle a également permis d’isoler et de tester séparément les contributions des effets à un et deux électrons.

Figure 2 : Gauche : Comparaison de la mesure présentée avec l’expérience passée et les différentes prédictions théoriques. Droite : Comparaison de l’incertitude expérimentale avec les différentes contributions d’électrodynamique quantique à un électron (ordre α et α² ) et deux électrons correspondant à l’échange d’un photon (« Approx. de Breit à 2 él. »), deux photons (« QED non radiative à 2 él. ») et avec des diagrammes mixtes d’échange de photons et self-énergie ou polarisation du vide (« QED non radiative à 2 él. »).

Vers une précision encore plus grande

Bien que cette expérience représente une avancée majeure, les incertitudes théoriques actuelles restent limitées par les calculs approximatifs des termes d’ordre α² et par la connaissance imparfaite de la structure nucléaire. Une nouvelle expérience est déjà en préparation pour atteindre une précision de 2 ppm, en utilisant une transition de référence plus légère, comme celle du scandium, où les effets de QED sont négligeables. Plus de détails peuvent être trouve dans le nouveau projet.

 

Collaborations

• Groupe de physique atomique du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Allemagne
• Institut für Optik und Quantenelektronik, Friedrich-Schiller-Universität, Jena, Allemagne
• Équipe de métrologie du Laboratoire Kastler Brossel, Paris, France
• Institute of Physics, Jan Kochanowski University, Kielce, Pologne
• Department of Physics, NOVA University Lisbon, Caparica, Portugal

Publications

• [Loetzsch2024] R. Loetzsch, H. F. Beyer, L. Duval, U. Spillmann, … M. Trassinelli, Testing Quantum Electrodynamics in Extreme Fields Using Helium-like Uranium, Nature, 2024, 625 (7996), pp. 673–678. ⟨10.1038/s41586-023-06910-y⟩⟨hal-04419190⟩

• [Trassinelli2023] M. Trassinelli, Shape and Satellite Studies of Highly Charged Ions X-ray Spectra Using Bayesian Methods, Atoms, 2023, 11 (4), pp. 64. ⟨10.3390/atoms11040064⟩⟨hal-04297402⟩