DeLLight : Deflection of Light by Light in vacuum

La théorie quantique de l’électromagnétisme prédit que l’indice optique du vide est modifié lorsque le vide est soumis à un champ électromagnétique intense. Le vide serait ainsi un milieu optique non linéaire: la vitesse de la lumière dans le vide ne serait pas une constante mais serait réduite lorsqu’on applique un champ électromagnétique intense dans le vide. Cette étonnante propriété du vide n’a encore jamais été observée. L’expérience DeLLight (Deflection of Light by Light) cherche à mesurer ce phénomène en utilisant des impulsions laser femtosecondes ultra intenses produites par l’installation laser LASERIX  récemment installée au Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL). L’expérience DeLLight est financée par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) pour une durée de 3 ans de octobre 2018 à octobre 2021.

L’idée originale du projet DeLLight, schématisée par la Figure 1, est d’observer la variation d’indice du vide par effet de réfraction optique. Une impulsion laser ultra courtes (30 femtosecondes) et ultra intenses (environ 2 Joules) est focalisé sur environ 5 microns de largeur, correspondant à un champ électrique ultra intense d’environ 3×1013 V/m et un champ magnétique de 105 T. Une seconde impulsion contre-propageante, de faible intensité, est focalisée dans la même région de vide. Le couplage de cette seconde impulsion – dite sonde – avec l’impulsion intense – dite pompe – crée un gradient d’indice dans le vide. Celui-ci va alors induire une réfraction de l’impulsion sonde, équivalent à l’effet mirage mais dans le vide. Cette déflection du faisceau sonde, de l’ordre d’un dixième de picoradian, est détectée grâce à un interféromètre de Sagnac.

Figure 1 : Schéma de principe de l’expérience DeLLight. L’impulsion laser intense délivrée par l’installation LASERIX est représentée en rouge. L’impulsion sonde avec ses plans d’onde réfractés est représenté en bleu.

L’effet de réfraction d’un faisceau lumineux dans le vide soumis à un champ électromagnétique intense n’a été testé expérimentalement qu’une seule fois en 1960 par R.V. Jones (Nature 1960, Royal Society 1961) en utilisant un champ magnétique statique transverse d’environ 1 Tesla, configuré selon une forme de prisme optique. Malgré une excellente sensibilité de mesure d’environ 0.5 picoradians, la limite obtenue était d’environ 10 ordres de grandeur au-delà du signal attendu à cause d’un champ magnétique relativement faible. Dans le cas de l’expérience DeLLight, le champ magnétique dans la zone d’interaction des deux impulsions pompes est d’environ 105 Tesla. La variation d’indice de réfraction variant comme le carré du champ, la sensibilité attendue de l’expérience DeLLight sera donc de presque 10 ordres de grandeur plus élevée que lors de l’expérience de Jones.