Métrologie de la fréquence de transition 1S-3S dans l'hydrogène : contribution au débat sur le rayon de charge du proton

Frequency metrology of the 1S-3S transition of hydrogen : contribution to the proton charge radius puzzle

• Auteur / Autrice : Hélène Fleurbaey
• Direction : François Nez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/10/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Emily Lamour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Helen Margolis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Champenois, Anne Amy-Klein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Électrodynamique quantique

Mots clés libres

Métrologie

Rayon de charge du proton

Atome d'hydrogène

Spectroscopie

Source laser UV

Électrodynamique quantique

Hydrogen spectroscopy

Proton charge radius

Metrology

Résumé

La mesure précise de la fréquence de la transition 1S-3S de l'atome d'hydrogène est d'un grand intérêt pour l'énigme du rayon de charge du proton, qui a pour origine les résultats récents de la spectroscopie de l'hydrogène muonique. Nous excitons la transition à deux photons 1S-3S, dans un jet d'atomes d'hydrogène, à l'aide d'un laser continu à 205 nm obtenu par somme de fréquences dans un cristal non-linéaire. La fréquence de la transition est mesurée par rapport à l'horloge à césium du LNE-SYRTE à l'aide d'un peigne de fréquence. L'enregistrement du signal pour différentes valeurs d'un champ magnétique appliqué permet d'estimer la distribution de vitesse des atomes du jet et d'en déduire l'effet Doppler du deuxième ordre. Les autres effets systématiques qui déplacent la transition ont été pris en compte : interférence quantique, déplacement lumineux, collisions. Une étude systématique en fonction de la pression a permis de montrer que la distribution de vitesse ne dépend pas de la pression et de déterminer le déplacement collisionnel. Finalement, une valeur de la fréquence de transition 1S-3S est obtenue avec une incertitude d'environ 5 kHz, ou 1,7 10^-12 en valeur relative. Elle est en très bon accord avec la valeur recommandée par le CODATA. Cette nouvelle mesure contribue à la recherche autour de l'énigme du rayon du proton.

The precise measurement of the 1S-3S transition frequency of hydrogen could have a great impact on the proton charge radius puzzle, which results from the recent spectroscopy of muonic hydrogen. In our experiment, the two-photon 1S-3S transition is excited in a hydrogen atomic beam, with a continuous-wave 205-nm laser which is obtained by sum frequency generation in a non-linear crystal. The transition frequency is measured with respect to the LNE-SYRTE Cs clock by means of a frequency comb. Recording the signal for several values of an applied magnetic field allows to estimate the velocity distribution of the atoms in the beam and deduce the second-order Doppler shift. Other frequency-shifting systematic effects have been taken into account: cross-damping, light shift, collisions. A complete study has shown that the velocity distribution does not depend significantly on the pressure, and allowed to determine the collisional shift. Eventually, a value of the 1S-3S transition frequency is obtained with an uncertainty of about 5 kHz, or a relative uncertainty of 1.7 10^-12. It is in very good agreement with the CODATA recommended value. This new measurement contributes to the ongoing search to solve the proton radius puzzle.