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Ann. Phys. Fr.
Volume 10, Number 6, 1985
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Page(s) | 923 - 944 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/anphys:01985001006092300 | |
Published online | 01 June 2004 |
Pompage optique et violation de parité dans l'atome
Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'E.N.S., 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France
Entre les travaux initiaux de Kastler sur la polarisation de la lumière de fluorescence émise par une vapeur de mercure (1936) et la violation de la parité dans le césium (1982), il existe un lien de parenté dans les méthodes d'investigation et dans la nature des problèmes physiques abordés. Ceci illustre la richesse du champ de recherche ouvert sous l'impulsion de Kastler. La présentation adoptée ici fait le choix d'une description phénoménologique de l'expérience violation de parité dans le césium, indépendamment de toute référence à la théorie électrofaible. Ceci met en lumière les caractères remarquables du résultat qui semblent contredire tout le savoir du pompage optique. Lorsque la transition interdite 6S-7S du césium est excitée, l'orientation du spin électronique dans l'état 7S manifeste certaines anomalies. L'une est de caractère fondamental : il s'agit d'une asymétrie droite-gauche, manifestant une violation de la parité dont ne peut rendre compte la théorie EDQ. L'interprétation met en jeu plusieurs moments dipolaires de transition dont deux dipôles électriques, l'un induit par effet Stark et l'autre dirigé le long du moment angulaire de spin indiquant la présence d'une interaction électron-nucléon violant la parité. L'interférence des amplitudes de transition associée à ces deux dipôles produit une composante de l'orientation du spin dans l'état 7S se comportant de manière anormale : deux expériences images miroir l'une de l'autre conduisent pour cette composante à des résultats qui ne sont pas images miroir l'un de l'autre. Dans son principe, l'expérience consiste à étudier sur les propriétés de la lumière de fluorescence polarisée les effets produits par les réflexions miroirs réalisées par rapport à trois plans orthogonaux. Le contrôle de l'exactitude avec laquelle sont réalisées ces réflexions constitue la part cruciale de toute la procédure expérimentale. Dans notre expérience, aucune correction significative ne s'avère nécessaire. L'incertitude associée aux effets systématiques possibles est estimée à 8 %. En combinant les résultats de deux mesures indépendantes qui se recoupent de manière satisfaisante, l'incertitude statistique est 11 % (1 eqm). La violation de la parité peut être directement interprétée à l'aide de l'interaction électron-nucléon à très courte portée associée à l'échange du boson vectoriel neutre Z 0, dite interaction « à courants neutres ». L'existence de ce type nouveau d'interaction constitue l'une des prédictions les plus importantes de la théorie électrofaible unifiant les interactions électromagnétiques et faibles. L'expérience du césium, initialement conçue comme test de la théorie électrofaible, donne sur la structure des courants neutres des informations qui s'avèrent complémentaires de celles obtenues par les expériences de hautes énergies.
Abstract
Between the original Kastler work about polarization of the Hg vapour fluorescence (1936) and the parity violation experiment in Cesium [5], we notice a relationship in the methods of investigation and in the nature of the physical problems under consideration : an illustration of the richness of the research field pioneered by Alfred Kastler. This paper adopts a phenomenological description of the Cesium parity violation experiment, without reference to electroweak theory. This allows to shed light on the peculiar features of our experiment which seem to contradict the optical pumping lore. When the 6S-7S forbidden transition in Cesium is excited, the electronic spin orientation of the 7S state exhibits two anomalies : the first one can be associated with a breakdown of a rotational invariance of the atom-radiation field system by the external dc electric field, the second one, much more fundamental, is a right-left asymmetry, Le. a manifestation of a parity violation not accounted for by conventional QED. The interpretation of this new optical pumping effect involves the introduction of three different dipole moments : the strongly suppressed magnetic dipole, an electric dipole induced by the Stark field and one directed along the spin momentum indicating the presence of the parity violating, but Tconserving, electron-nucleus interaction. When the transition is excited, the radiation field is absorbed coherently by these transition dipoles. The breakdown of the usual optical pumping rules can be explained in terms of interference between the amplitudes associated with two different dipoles. In particular, the interference of the Stark dipole with the PV dipole leads to a component of the 7S spin orientation which behaves under mirror symmetry as a polar vector, and not as an axial vector as one would normally expect for an angular momentum type quantity. Basically, the experiment consists in studying the effects upon the properties of the fluorescence light, polarized and unpolarized, produced by mirror symmetries with respect to three orthogonal planes. In this way, it is possible to disentangle the different interference terms and to discriminate the one involving parity violation. In practice, this is done by reversing various parameters of the experiment. The control of the quality of these reversals is obviously the crucial part of the whole experimental procedure. Moreover consistency tests and various cross-checks have to be devised and carefully carried out. They contribute to reliability of the result. In the Cesium experiment, the uncertainty associated with possible systematic effects is estimated to 8 % and the eqm statistical uncertainty, after combination of two independent measurements which satisfactorily crosscheck one another, is 11%. The parity violation can be readily interpreted in terms of the short range electronnucleon interaction associated with the exchange of the neutral vector boson Z0 recently observed with the CERN p-p collider. This new type of interaction, also known under the generic name of « neutral currents » was one of the most important predictions of electroweak theory which unifies, within the frame of gauge field theories, electromagnetic and weak interactions. This experiment, originally designed as a test of electroweak theory, gives information on the structure of neutral currents which complement those obtained by high energy experiments. First, the explored energy range is obviously very different. Secondly, the quarks acting coherently in Atomic Physics experiment but incoherently in accelerator experiments, the basic electroweak parameters extracted from the two kinds of experiments are different.
PACS : 3260 – Magneto optical and electro optical effects in atoms: birefringence, dichroism and optical activity / 3280B – Atomic level crossing, optical pumping, population inversion, stimulated emission / 3510D – Atomic electric and magnetic moments, polarizability / 3510W – Atomic weak interactions
Key words: atomic electric moment / atomic excited states / atomic magnetic moment / caesium / electro optical effects / magneto optical effects / optical pumping / weak interactions atomic physics / Cs / strongly suppressed magnetic dipole moment / Stark field induced electric dipole moment / polarised light / unpolarised light / parity violation / atoms / 6S 7S forbidden transition / breakdown / rotational invariance / atom radiation field system / DC electric field / right left asymmetry / QED / optical pumping / spin momentum / 7S spin orientation / mirror symmetry / polar vector / axial vector / fluorescence light / interference terms
© EDP Sciences, 1985