Description du sujet de thèse

La violation des symétries fondamentales de parité et de renversement du temps se manifeste dans l'atome à travers le moment dipolaire électrique, le moment quadripolaire magnétique ou le moment de Schiff. Dans les molécules, ces effets peuvent être amplifiés de plus de cinq ordres de grandeur grâce à l'existence de doublets de parité opposée ayant des écarts d'énergie extrêmement faibles. Les noyaux lourds qui présentent une déformation octupolaire renforcent davantage la brisure de symétrie, ce qui pourra finalement permettre d'observer la violation par des expériences de haute précision, en particulier dans les systèmes qui contiennent des atomes de francium, de radium ou d'un actinide.

Cependant, l'exploit de contraindre expérimentalement dans une molécule une symétrie fondamentale brisée reste à ce jour hors de portée. Certes un grand progrès technique a été réalisé au cours des 20 dernières années et a été appliqué aux systèmes atomiques, mais le domaine moléculaire demeure inexploré. Bien que des espèces composées prometteuses aient été identifiées en partant de considérations théoriques et que des fenêtres d'opportunité dans les laboratoires d'accélérateurs aient été proposées, les propriétés spectroscopiques de ces systèmes restent entièrement inconnues. Les énergies et les configurations des états excités, le potentiel d'ionisation et surtout les conditions pratiques de l'inévitable refroidissement par laser n'ont pas été établis. Ce n'est que pour les monofluorures de radium et d'actinium que la spectroscopie moléculaire par laser a été réalisée il y a quelques années. Ces expériences ont été des réussites remarquables, puisqu'il a été possible de raccourcir considérablement le temps pour obtenir des résultats significatifs grâce à des prédictions théoriques précises .

Dans le cadre de notre collaboration avec les laboratoires du Ganil à Caen (France) et du Triumf à Vancouver (Canada), nous avons décidé de saisir l'occasion et de tirer parti de nos installations expérimentales existantes en France et au Canada pour contribuer à cette interface émergeante entre la physique nucléaire et moléculaire, qui revêt d'une importance directe pour notre compréhension des interactions fondamentales de la nature. Nous voulons nous concentrer d'abord sur la production de molécules froides dans un état quantique approprié dans un jet gazeux au Ganil et nous participerons à des expériences de photo-association de molécules de francium au Triumf.

Lors des expériences actuelles, la température ambiante des molécules qui interagissent avec la lumière laser masque toute sensibilité aux symétries fondamentales. Le refroidissement par laser est alors considéré comme un des moyens les plus efficaces afin d'atteindre les températures requises qui sont de l'ordre de quelques millikelvins, mais le fossé à combler à partir de la température ambiante est énorme. Nos expériences au Ganil offrent toutefois une alternative. Des isotopes d'éléments lourds tels que les actinides peuvent être produits et injectés dans un jet d'argon. L'expansion supersonique du gaz permet d'obtenir des températures de 20 mK, bien adaptées comme point de départ au refroidissement par laser et à la préparation du nuage moléculaire pour sonder les symétries fondamentales.

Dans un premier temps, des ions de lanthane stables seront produits à partir d'un filament et neutralisés par des collisions dans le flux de gaz. Suite à la présence de l'eau résiduelle dans le dispositif expérimental, des molécules telles que LaO et LaOH se forment au cours du processus. Elles seront ionisées par irradiation laser résonnante dans le jet de gaz, tandis que les longueurs d'onde des états excités inconnus seront balayées et le potentiel d'ionisation déterminé. L'ion moléculaire sera ensuite extrait et transporté vers un spectromètre de masse à temps de vol pour identification.

Ensuite, nous introduirons dans l'expérience des actinides radioactifs provenant d'une source à longue durée de vie et nous répéterons les études systématiques de formation, d'excitation et d'ionisation moléculaires. Notamment, les molécules AcO et AcOH seraient des cibles majeures pour la mesure du moment de Schiff violant la parité et le renversement du temps.

Le candidat recruté devra préparer et participer à des expériences à Ganil et à Triumf. Analyser les données obtenues à l'aide des codes informatiques disponibles ou nouvellement développés. Collaborer avec des théoriciens pour interpréter les résultats. Rédiger des rapports et les présenter lors d'ateliers et de conférences.

Contexte de travail

Les molécules radioactives s'imposent depuis peu comme des sondes de précision pour les moments électromagnétiques anomaux, offrant une sensibilité sans précédent à la violation de la parité et du renversement du temps. Malgré leur immense potentiel pour la physique, les techniques expérimentales n'en sont encore qu'aux débuts. Elles dépendent souvent de l'application de technologies de pointe en physique atomique, moléculaire et optique dans les laboratoires d'accélérateur, tels que le Ganil à Caen (France) et le Triumf à Vancouver (Canada), où ces radionucléides sont produits de façon unique.
Pour faire progresser le domaine fascinant des molécules radioactives à la fois au Ganil et au Triumf, une collaboration a été établie entre le CNRS et l'université de Colombie Britannique (UBC). Le jet de gaz supersonique au Ganil est un outil innovant et exceptionnel pour l'étude des moments nucléaires moyennant la spectroscopie laser. Il a récemment été mis en service avec des lanthanides et est disponible pour des études avec des espèces stables ou de longue durée de vie, ce dont témoigne notre présente proposition de spectroscopie laser de molécules. De même, la collaboration permettra aux chercheurs de mener des études de précision et de la recherche de nouvelle physique en explorant des molécules radioactives incorporant l'atome lourd de francium au Triumf.
Le programme de bourses de doctorat conjoint CNRS-UBC représente une opportunité de mettre en relation des chercheurs du CNRS et de l'UBC et facilite l'échange de connaissances entre les programmes de recherche, aidant à identifier les techniques expérimentales les plus efficaces pour la formation de molécules radioactives froides. Les deux laboratoires se complètent sur plusieurs aspects, notamment la production de radionucléides et les techniques de formation et de refroidissement d'atomes et de molécules (telles que l'expansion supersonique au Ganil et l'assemblage à partir d'atomes refroidis par laser au Triumf). Le programme de bourses est un élément clé qui renforce le laboratoire de recherche international du CNRS récemment établi au Triumf.
Le laboratoire Irène Joliot-Curie (IJCLab) géré par le CNRS, l'université Paris-Saclay et l'université de Paris est situé sur le campus d'Orsay de l'université Paris-Saclay, à 30 km au sud de Paris et accessible par les transports en commun. Le personnel est constitué de plus de 500 membres permanents (chercheurs, enseignants, ingénieurs, techniciens et administratifs) et de 200 membres non-permanents (dont 100 doctorants). Les thèmes de recherche du laboratoire comprennent la physique nucléaire, la physique des hautes énergies, la physique théorique, les astroparticules, la cosmologie, les accélérateurs de particules, l'énergie et la santé. L'IJCLab dispose de toutes les capacités techniques pour concevoir, développer et mettre en œuvre les dispositifs expérimentaux nécessaires à son activité scientifique.
Le doctorant travaillera dans le groupe Spectroscopie-Décroissance-Fission du pôle nucléaire du laboratoire, qui compte une dizaine de physiciens (chercheurs, post-docs et doctorants), qui réalisent leurs expériences sur la structure du noyau atomique dans différents laboratoires à travers le monde.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Des déplacements à Caen (France, une ou deux fois par mois) et à Vancouver (Canada, une ou deux fois par an) sont essentiels à la thèse.