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Université Paris 13 - Institut Galilée

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.

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  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 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 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 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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

  5. R S La violation de la parité en physique moléculaire Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  6. d E0 d* E0 E0+|d| 0 E0-|d| 0 La violation de la parité en physique moléculaire Inversion de la conformation : Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  7. 123456789 123456789 0 E0+|e| E0 E0-|e| 0 E0 DEPV = |ER-EL| = 2 |e| e* 0 E0 0 E0 e 123456789 La violation de la parité en physique moléculaire Violation de la parité : Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  8. M.-A. et C. Bouchiat (1974) E. Gazjago et G. Marx (1974) D.W. Rein, R.A. Hegstrom et P.G.H Sandars (1979) Effets des interactions faibles sur les niveaux électroniques des molécules: Letokhov (1974) Effets des interactions faibles sur les autres degrés de liberté internes DEPV= Z3Z’2 10-16 D.W. Rein (1973) Lien entre violation de la parité par les interactions faibles et l’homochiralité du monde vivant. Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  9. 1976 : O.N. Kompanets, A.R. Kukudzhanov, V.S. Letokhov et L.L. Gervits, Opt. Comm.19, 414-416. sur un mélange racémique de CHFClBr Dn/n 10-8 1977 : E. Arimondo, P. Glorieux et T. Oka, Opt. Comm.23, 369-372. sur les énantiomères séparés du camphre Dn/n 10-8 Expériences réalisées avant nos travaux Toutes les expériences réalisées ont comparé les fréquences vibrationnelles des énantiomères. 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 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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

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

  13. Performances obtenues sur la molécule OsO4: Stabilité : 0,1 Hz sur 100 s, soit Dn/n = 3 10-15 Reproductibilité : 10 Hz V. Bernard et coll., IEEE J. Quantum. Electron.31, 1913-1918 (1995) Laser à CO2 Source laser à CO2 stabilisée en fréquence sur une transition moléculaire d’absorption saturée porteuse laser Cavité Fabry-Perot de référence bandes latérales M.E.O. Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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

  15. Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  16. 15 MHz Pression: 2 10-1 Pa CHFClBr (S) dans la cavité A Puissance intracavité: 9 mW Finesse des résonateurs de 3 m: 50 Modulation: 12 kHz CHFClBr (R) dans la cavité B Harmonique de détection: 3 -150 -100 -50 0 50 100 150 Constante de temps: 30 ms Fréquence (kHz) Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  17. ) z H ( ) + ( - ) 100 - ( e c n e 0 u q e é é r n f r u e o -100 d j - i e m c n e r -200 é f f i 0 10 20 30 40 50 60 D Dn (1) +Dn (2) Dn (1) -Dn (2) DnStatistique DnPV+ +DnAutres= = +4,50 Hz 2 2 2 = +70,60 Hz DnCavités= Protocole expérimental 60 mesures par journée : Dn (1) =+75,10 Hz Dn (2) =-66,11 Hz Dn (1)=n(CFPA+(R))-n(CFPB+(S)) =DnPV+DnStatistique+DnCavités+ DnAutres Dn (2)=n(CFPB+(R))-n(CFPA+(S)) =DnPV+DnStatistique-DnCavités+DnAutres Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  18. ) z H ( 4 0 0 ) + 300 3 0 0 ( - ) 200 - 2 0 0 ( e 100 c 1 0 0 n e 0 u 0 q é -100 r - 1 0 0 f e -200 d - 2 0 0 e -300 c - 3 0 0 n 0 100 200 300 400 500 600 e r é - 4 0 0 f N u m é r o d e s p e c t r e f i D 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 N u m é r o d e s p e c t r e s = 47 Hz Compensation des effets systématiques Avant compensation Après compensation s = 167 Hz Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  19. 1 5 0 s e r 1 0 0 u s e Dn= 3,7  2  5 Hz m e G a u s s i e n n e d e r b 5 0 m o N H z 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 - n n ( R ) ( S ) Résultats Moyenne +3,7 Hz Ecart quadratique moyen 47 Hz 580 mesures sur 10 journées La précision sur la comparaison des fréquences de résonance est égale à 1/20 000ième de la largeur de raie. Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  20. Dn  4. 10-13 n n(R-)- n(S+) = 9,4  5,1  12,7 Hz Pour repousser cette borne expérimentale :  améliorations techniques du dispositif recherche d’une résonance mieux adaptée Conclusions Compte-tenu de l’excès énantiomérique des échantillons : Ce résultat améliore de près de 5 ordres de grandeur sur les précédents tests, réalisés sur CHFClBr et sur le camphre. 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 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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

  23. 18 kHz 5 kHz 90 kHz 15 MHz Bande de vibration n4 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  24. cm -1 1060 1080 1100 1 MHz 1 MHz Bande de vibration n4 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  25. cm -1 1060 1080 1100 10 MHz Bande de vibration n4 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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

  27. A, B, C, et constantes centrifuges A, B, C, et constantes centrifuges H = Hvib +Hrot + HQ cab(Br) cab(Cl) v4=1 hn4 cab(Br) v4=0 cab(Cl) A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys.106, 7558-7570 (1997). Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  28. = = [ ] v 0 1 v 1 4 4 Espèce isotopique CHF35Cl79Br : B r c ( M H z ) 4 5 6 , 0 6 5 0 ( 5 7 ) 4 5 6 , 9 6 9 ( 1 9 ) a a - - B r c ( M H z ) 2 1 2 , 1 2 3 0 ( 4 1 ) 2 1 3 , 3 0 1 ( 2 2 ) b b - B r c ( M H z ) 2 4 9 , 3 0 1 ( 6 4 ) 2 4 7 , 9 ( 2 2 ) a b B r c ( M H z ) 1 9 9 , 6 6 ( 1 2 ) 2 0 5 , 6 8 ( 2 9 ) a c - - B r c ( M H z ) 5 9 , 1 4 ( 2 5 ) 4 5 , 4 ( 6 5 ) b c - - C l c ( M H z ) 2 0 , 5 9 5 2 ( 7 3 ) 2 0 a a Constantes quadrupolaires du niveau v4=1 déduites des structures hyperfines expérimentales - , 6 7 5 ( 1 9 ) - - C l c ( M H z ) 8 , 5 4 5 9 ( 4 6 ) 8 , 3 5 2 ( 2 3 ) b b - - C l c ( M H z ) 5 1 , 2 7 ( 1 6 ) 6 0 , 3 ( 7 3 ) a b C l c ( M H z ) 2 3 , 8 6 ( 2 8 ) 2 9 , 2 ( 1 4 ) a c C l c ( 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, 7558-7570 (1997). Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  29. -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 Structure hyperfine de (24,2,22)  (25,3,23) de CHF35Cl79Br à 32 204 485 MHz MHz Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  30. 0 0.2 0.4 0.6 1.6 1.8 2 2.2 2.4 0 1 2 3 4 5 6 7 4.8 5 5.2 5.4 5.6 3.2 3.4 3.6 3.8 Structure hyperfine de (24,2,22)  (25,3,23) de CHF35Cl79Br à 32 204 485 MHz MHz Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  31. -2 0 2 4 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 MHz Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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

  33. 0 1 2 3 4 Transition rovibrationnelle (24,2,22)  (25,3,23) de CHF37Cl79Br à 32 204 485 MHz MHz Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  34. 60 kHz Transitions rovibrationnelles (37,1,37)  (36,0,36) et (37,0,37)  (36,1,36) de CHF37Cl79Br -100 -50 0 50 100 Fréquence (kHz) 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: 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 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  36. Premier test - Avril 1998 : Dn=+3,7 Hz s/n=2 Hz Ecart de fréquence (-)-(+) (Hz) 0 100 200 300 400 500 600 700 100 Hz Nouveau test - Juillet 2000 : Dn=-4,17 Hz s/ n=0,6 Hz Ecart de fréquence (-)-(+) (Hz) 100 Hz 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1. Réalisation d’un nouveau test de violation de parité Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  37. Calcul de l’effet de violation de la parité sur les fréquences de vibration de CHFClBr : (Dn/n) /10-18 harmonique anharmonique Viglione, Zanasi, Lazzeretti +45,3 Libague (2000) - +30,6 Quack, Stohner (2000) 80,6 Laerdahl, Schwerdtfeger, - +50,0 62,3 Quiney (2000) 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-1n(R)-n(S)=-0,18 Hz Laerdahl, Schwerdtfeger, Quiney (2000) 2. Retombées théoriques de nos travaux Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

  38. Choix d’une autre molécule test CHFBrI Dn=0,18 Hz CHFClI (J. Costante-Crassous, E.N.S. Lyon), PbHFClBr, ... Autres projets d’expérience Propositions de J.-B. Robert et M. Quack. A.S. Lahamer et coll., Phys. Rev. Letters85, 4470 (20 novembre 2000). Spectroscopie Mössbauer de Fe(phen3)+2Sb2(C4H2O6)-2 Expériences de spectroscopie sub-Doppler en jet moléculaire. 3. Perspectives Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL

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