Tests fondamentaux à l'aide d'horloges à atomes froids de rubidium et de césium
Résumé
Thanks to their high accuracy, atomic frequency comparisons can be used to perform very stringent tests of the fundamental physical laws. Substantial improvements of these tests are expected, due to recent developments brought by the use of cold atoms and by new advances in the field of optical frequency standards and optical frequency measurements. In this thesis, we first explain how atomic frequency comparisons can be used to test the Equivalence Principle which is the basis of General Relativity. More precisely, these comparisons test the stability of fundamental constants such as the fine structure constant. The remaining of the thesis describes the development of a cold atom fountain using cesium 133 and rubidium 87 atoms, allowing accurate comparisons between the hyperfine frequencies of these two atomic species. The improvement of the accuracy of clocks requires a good understanding of the systematic effects that shift their frequency. In the third part of this thesis, we focus on atom number dependent frequency shifts. The fourth part is a detailed description of the cold atom fountain experiment. The fifth part is devoted to frequency comparison methods between such frequency standards. Finally, we summarize experimental results obtained during this thesis. The accuracies obtained with rubidium and cesium are 2*10^-15 and 1*10^-15 respectively. The best measured frequency stability is 3.5*10^-14*tau^-1/2. The frequency comparisons made during this thesis lead to a test of the stability of the fine structure constant at the level of 7.3*10^-15 per year. This represents a factor 5 improvement over previous tests of the same kind.
Du fait de leur grande exactitude, les comparaisons de fréquences atomiques permettent de réaliser des tests très contraignants des lois fondamentales de la physique. Les développements récents liés à l'utilisation d'atomes froids, aux progrès des étalons optiques de fréquence et au perfectionnement des méthodes de mesure des fréquences optiques, permettent de prévoir une amélioration très significative de ces tests. Dans ce mémoire, on montre d'abord comment des comparaisons de fréquences atomiques permettent de tester le Principe d'équivalence qui est à la base de la Relativité Générale. Plus précisément, ces comparaisons constituent des tests de la stabilité de certaines constantes fondamentales comme la constante de structure fine. La suite du mémoire décrit le développement d'une fontaine à atomes froids de césium 133 et de rubidium 87 permettant de comparer les fréquences hyperfines de ces deux atomes. L'amélioration de l'exactitude des horloges passe par la compréhension des effets systématiques qui influent sur leur fréquence. Dans ce mémoire, l'accent est mis sur l'étude des effets dépendant du nombre d'atomes qui fait l'objet de la troisième partie. Suit une description détaillée du montage de la fontaine puis des méthodes de comparaisons entre horloges atomiques de ce type. Les résultats expérimentaux sont regroupés dans une dernière partie. Ce travail a permis de mesurer les effets dépendant du nombre d'atomes dans le cas du rubidium avec une résolution relative de 4*10^-16. Les exactitudes obtenues avec le rubidium et le césium sont de 2*10^-15} et 1*10^-15 respectivement. La meilleure stabilité de fréquence obtenue est de 3.5*10^-14*tau^-1/2. Les comparaisons de fréquences réalisées conduisent à un test de stabilité de la constante de structure fine au niveau de 7.3*10^-15 par an, une résolution 5 fois meilleure que celle des précédents tests du même type.