Le but de cette thèse est une nouvelle détermination du rayon Rp de la distribution de charge du proton.
Actuellement, Rp est mesuré par la diffusion élastique électron-proton, par la spectroscopie de l’atome d’hydrogène et, très récemment, par celle de l’atome d’hydrogène muonique. Cette dernière mesure donne une valeur très précise de Rp, mais en fort désaccord (plus de 4 sigma) avec les précédentes mesures. L’objectif du travail proposé sera de mesurer de nouvelles fréquences de l’hydrogène pour clarifier la situation entre les résultats expérimentaux et les calculs d’électrodynamique quantique (QED) dans les systèmes hydrogénoïdes.
La première mesure du rayon du proton a été obtenue par diffusion élastique électron-proton : Rp est obtenu avec une incertitude relative de 2%, limitée par la difficulté de l’analyse des résultats. La détermination de Rp à partir des mesures de fréquences de l’hydrogène utilise le fait que la taille finie du proton modifie légèrement le potentiel
coulombien, d’où une modification de l’énergie des niveaux, principalement pour les états S pour lesquels la probabilité de présence de l’électron dans le noyau est non nulle. Cet effet contribue au déplacement de Lamb des niveaux S.
Expérimentalement, plusieurs fréquences optiques de l’atome d’hydrogène sont maintenant connues avec une précision relative meilleure que 10-11. Du coté théorique, il y a eu aussi des progrès majeurs ces 15 dernières années dans les calculs QED du déplacement de Lamb. Il est donc maintenant possible d’extraire de la comparaison théorie expérience une valeur de Rp avec une précision de l’ordre de 1%, qui est en accord avec celle déduite de la diffusion électronproton.
Une troisième méthode de mesure de Rp utilise l’atome d’hydrogène muonique (un atome formé avec un proton et un muon, μ-p). Le muon étant 207 fois plus lourd que l’électron, la taille des orbites du muon autour du proton est réduite par le même facteur. Dans ces conditions, le déplacement des niveaux d’énergie dû à la taille finie du proton est
beaucoup plus grand que dans l’hydrogène électronique. Cette expérience est faite à l’Institut Paul Scherrer (PSI) dans le cadre d’une large collaboration internationale, incluant l’équipe de T.W. Hänsch à Munich et notre groupe à Paris.
Cette expérience a donné en juillet 2009 une valeur très précise de Rp (incertitude d’environ 0,2%), en désaccord de plus de 4 sigma avec la valeur déduite de la spectroscopie de l’hydrogène 1]. Ce désaccord peut résulter des calculs QED dans l’hydrogène normal ou l’hydrogène muonique, ou bien des mesures des fréquences de l’hydrogène.
Le but de la thèse, qui se déroulera à Paris sur le campus Jussieu, est la mesure des transitions 1S-3S et 1S-4S de l’hydrogène. Ces deux transitions ne sont pas utilisées dans la détermination actuelle de Rp. Ces nouvelles données permettront donc de clarifier les résultats déduits de l’hydrogène et d’en améliorer la précision. Nous avons déjà observé la transition 1S-3S [2], mais l’expérience est limitée par la faible intensité de la source UV à 205 nm utilisée pour cette transition. Les différentes étapes de la thèse seront les suivantes :

 Construction d’une nouvelle source UV à 205 nm basée sur la somme des fréquences d’une source
commerciale à 266 nm et d’un laser titane saphir à 896 nm. Ce schéma doit permettre d’accroître la puissance
UV d’un facteur 10 et d’améliorer significativement le signal sur bruit des spectres 1S-3S.

 Mesure de la fréquence 1S-3S avec une incertitude de 1 kHz, soit une incertitude de 0,6% sur Rp.

 Observation et mesure de la transition 1S-4S à 194 nm, longueur d’onde qu’il est aussi possible de produire
avec ce nouveau schéma.
[1] R. Pohl et al, Nature 466, 213-216 (2010).
[2] Olivier Arnoult, François Nez, Lucile Julien et François Biraben, Eur. Phys. J. D 60, 243–256 (2010).

Financement : Contrat doctoral UPMC – Financement assuré par un contrat de l’Agence Nationale de la Recherche

Compétences requises :
Ce travail de thèse est essentiellement expérimental. Le candidat devra si possible avoir des compétences dans les techniques utilisées en physique atomique (utilisation de laser, techniques du vides, bases de l’électronique, …). Des connaissances théoriques de base en physiques atomiques sont aussi nécessaires pour pouvoir aborder ce travail.

Adresse :

-Université Pierre et Marie Curie
-Case 74, Tour 13-23 E02, 4 place Jussieu
-75252 Paris Cedex 05

http://www.lkb.ens.fr/-Metrologie-Quantique-

Contact : [Nez François

Téléphone : 01 44 27 72 48

Cette thèse devrait commencer en octobre 2011.