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

15 décembre 2000 Laboratoire de Physique des Lasers - Thèse Thibaut MARREL 1

Université Paris 13 - Institut Galilée

Laboratoire de Physique des LasersUMR-CNRS 7538

Le spectre à très haute résolutionde la molécule chirale CHFClBr à 9,3 µm :

test de violation de la paritéet étude de la structure hyperfine

Thibaut Marrel


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







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

e e

p p

e e

p p

Z0

1957 : Wu et coll. - 1ère mise en évidence expérimentale de la non conservation de P

60Co 60Ni + + e


La violation de la parité en physique moléculaire

R S



P P +=2

1 P=+1 P 1=2

1

E0

E0

E0

E0

P 1 P = + 1

Inversion de la conformation :



123456789 123456789123456789

E0

E0

E0

E0

P 1 P = + 1

Violation de la parité :

E

E

EPV = EREL = 2

P P +=2

1 P=+1 P 1=2

1


D.W. Rein (1973) Lien entre violation de la parité par les interactions faibleset 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)

EPV = Z3 Z’ 2

Effets des interactions faiblessur les niveaux électroniques des molécules:

Letokhov (1974) Effets des interactions faibles sur les autres degrés de liberté internes

E

E

E

E

E

Ee l

e l

v ib

v ib

ro t

ro t

1016


Expériences réalisées avant nos travauxToutes les expériences réalisées ont comparé les fréquences vibrationnelles des énantiomères.

1977 : E. Arimondo, P. Glorieux et T. Oka, Opt. Comm. 23, 369-372.

sur les énantiomères séparés du camphre

108

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

108







n

n1

h (R)h (S)

Ener

gie

v41

v40

Principe de notre expérience

1. Réalisation d’une mesure simultanée des fréquences de transition de deux énantiomères


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 %


M.E.O.

bandeslatérales

port

euse

lase

r

Performances obtenues sur la molécule OsO4:

Stabilité : 0,1 Hz sur 100 s, soit = 3 1015

Reproductibilité : 10 Hz

V. Bernard et coll., IEEE J. Quantum. Electron. 31, 1913-1918 (1995)

Laser à CO2

Source laser à CO2 stabilisée en fréquencesur une transition moléculaire d’absorption saturée

Cavité Fabry-Perot de référence


Cavité F.-P. remplie de CHFClBr (R)

Cavité F.-P. remplie de CHFClBr (S)

M.E.O.

Cavité Fabry-Perot de référence

bandeslatérales

port

euse

lase

r

Laser à CO2



15 MHz

Pression: 2 101 Pa

Puissance intracavité: 9 mW

Finesse des résonateurs de 3 m: 50

Modulation: 12 kHz

Harmonique de détection: 3

Constante de temps: 30 ms-150 -100 -50 0 50 100 150

Fréquence (kHz)

CHFClBr (R) dans la cavité B

CHFClBr (S) dans la cavité A


Protocole expérimental

60 mesures par journée :

0 10 20 30 40 50 60-200

-100

0

100

Di ff

érence

de

fréquen

ce

( Hz)

()

(+)

mi-j

o ur n

ée

75,10 Hz 66,11 Hz

(CFPA+(R))(CFPB+(S))

(CFPB+(R))(CFPA+(S))

PV Autres Statistique

2 (1) (2)

24,50 Hz

Cavités (1) (2)2

70,60 Hz

PV Statistique Cavités Autres

PV Statistique Cavités Autres


Compensation des effets systématiques

0 100 200 300 400 500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Dif

fére

nce

de f

réqu

ence

()

(+)

(Hz)

Numéro de spectre

167 Hz 47 Hz

Numéro de spectre

0 100 200 300 400 500 600

300

-300

200

100

0

-100

-200

Avant compensation Après compensation


Résultats

-200 -100 0 100 2000

50

100

150

No

mb

re d

e m

esu

res

Hz

Ga ussie nne

(R) (S)

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 1/20 000ième de la largeur de raie.


Conclusions

Compte-tenu de l’excès énantiomérique des échantillons :

RS 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.

4. 1013

Pour repousser cette borne expérimentale :

améliorations techniques du dispositif

recherche d’une résonance mieux adaptée







cm -11080 11001060

Bande de vibration 4

15 MHz

Centre : 9,3 µm = 32,2 THz

Spectre TF (A. Valentin)



15 MHz

90 kHz

5 kHz

18 kHz


cm -11080 11001060


1 MHz

1 MHz


cm -11080 11001060


10 MHz


H Hvib Hrot HQ

Hvib h4 ( N4 1/2 )

v40

v41

h4

Hrot AJa2 BJb

2 + CJc2

+ Corrections centrifuges

A, B, C,et constantes centrifuges


(Br)

(Cl)

(Br)

(Cl)

HQ = VBr ·QBr + VCl ·QCl

IBr 3/2 ICl 3/2

(2IBr + 1)(2ICl + 1) = 16

HDM

IH 1/2 IF 1/2


H Hvib Hrot HQ

v40

v41

h4



(Br)

(Cl)

(Br)

(Cl)

A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys. 106, 7558-7570 (1997).


Constantes quadrupolaires du niveau v41déduites des structures hyperfines expérimentales

v4 = 0 [1] v4 = 1

Braa (MHz) 456,0650(57) 456,969(19)

Brbb (MHz) 212,1230(41) 213,301(22)

Brab (MHz) 249,301(64) 247,9(22)

Brac (MHz) 199,66(12) 205,68(29)

Brbc (MHz) 59,14(25) 45,4(65)

Claa (MHz) 20,5952(73) 20,675(19)

Clbb (MHz) 8,5459(46) 8,352(23)

Clab (MHz) 51,27(16) 60,3(73)

Clac (MHz) 23,86(28) 29,2(14)

Clbc (MHz) 19,36(37) 12(16)

N 168 69 (kHz) 4,7 4,9

ex p (kHz) 5 1

Espèce isotopique CHF35Cl79Br :

[1] A. Bauder, A. Beil, D. Luckhaus, F. Müller, M. Quack, J. Chem. Phys. 106, 7558-7570 (1997).


-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


Structure hyperfine de (24,2,22) (25,3,23)de CHF35Cl79Br à 32 204 485 MHz

0 1 2 3 4 5 6 7

0 0.2 0.4 0.61.6 1.8 2 2.2 2.4

3.2 3.4 3.6 3.8 4.8 5 5.2 5.4 5.6

MHz


Structure hyperfine de (40,7,34) (40,8,33)de CHF35Cl81Br à 1074,64 cm1

-2 0 2 4

Structure hyperfine de (40,7,34) (40,8,33)de CHF35Cl81Br à 1074,64 cm1

Structure hyperfine de (40,7,34) (40,8,33) et (49,10,39) (49,11,38)de CHF35Cl81Br à 1074,64 cm1

MHz


Le rapport des constantes quadrupolaires de 2 espèces isotopiquesest indépendant du niveau vibrationnel.

(v4=0) (v4=1)

CHF35Cl79Br

CHF35Cl81Br

CHF37Cl79Br

CHF37Cl81Br

A. Bauder et coll. déterminées

déterminées"

"

"

?

?

abondance

38,0 %

36,9 %

12,2 %

11,8 %


0 1 2 3 4

Transition rovibrationnelle (24,2,22) (25,3,23)de CHF37Cl79Br à 32 204 485 MHz

MHz


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 0 50 100Fréquence (kHz)

60 kHz

Transitions rovibrationnelles(37,1,37) (36,0,36) et (37,0,37) (36,1,36)

de CHF37Cl79Br







1. Réalisation d’un nouveau test de violation de parité

0 100 200 300 400 500 600 700

Eca

rt d

e fr

éque

nce

()

()

(H

z)

100

Hz

Premier test - Avril 1998 :

3,7 Hz /n Hz

100

Hz

Nouveau test - Juillet 2000 :

4,17 Hz n0,6 Hz

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Eca

rt d

e fr

éque

nce

()

()

(H

z)


2. Retombées théoriques de nos travaux

Calcul de l’effet de violation de la parité sur les fréquences de vibration de CHFClBr :

harmonique anharmonique

+45,3Viglione, Zanasi, Lazzeretti

Libague (2000)

+30,6 80,6 Quack, Stohner (2000)

+50,0 62,3Laerdahl, Schwerdtfeger,

Quiney (2000)

() /1018

0,99 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 d’autres halométhanes :

CHFBrI élongation CBr 679 cm1 (R)(S) 0,18 Hz

Laerdahl, Schwerdtfeger, Quiney (2000)


3. Perspectives

Choix d’une autre molécule test

CHFBrI 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

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