Composants millim´etriquessupra-conducteurs pour la mesure de la polarisation du fond diffus cosmologique - Application `al'interf´erom´etriebolom´etrique Adnan Ghribi To cite this version: Adnan Ghribi. Composants millim´etriquessupra-conducteurs pour la mesure de la polarisa- tion du fond diffus cosmologique - Application `al'interf´erom´etriebolom´etrique. Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]. Universit´eParis-Diderot - Paris VII, 2009. Fran¸cais. <tel-00726118> HAL Id: tel-00726118 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00726118 Submitted on 29 Aug 2012 HAL is a multi-disciplinary open access L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destin´eeau d´ep^otet `ala diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´esou non, lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d'enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche fran¸caisou ´etrangers,des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es. COMPOSANTS MILLIMETRIQUES SUPRA-CONDUCTEURS Pour la Mesure de la Polarisation du Fond Diffus Cosmologique & Application à l’Interférométrie Bolométrique Thèse de doctorat de l’Université Paris Diderot Présentée par GHRIBI Adnan Dirigée par PIAT Michel Présentée, le 25 novembre 2009, devant le jury : BINETRUY Pierre, Professeur de l’Université Paris Diderot – APC ALQUIE Georges, Professeur de l’Université Pierre et Marie Curie – L2E GIARD Martin, Directeur de recherche – CESR LAMARRE Jean Michel, Directeur de recherche – LERMA NAVARRINI Alessandro, Chargé de Recherche – INAF– Osservatorio Astronomico di Cagliari Ecole Doctorale Astronomie et Astrophysique d’Ile de France Laboratoire AstroParticule et Cosmologie – UMR7164 Centre National de la Recherche Scientifique Centre National des Etudes Spatiales Université Paris Diderot (Paris 7) AUTEUR GHRIBI Adnan TITRE Composants millimétriques supra-conducteurs pour la mesure de la polarisation du fond diffus cosmologique - Application à l’interférométrie bolométrique. DIRECTEUR DE THÈSE PIAT Michel RÉSUMÉ La mesure du fond diffus cosmologique est depuis les années 1980 au centre des pré- occupations majeures de la cosmologie observationnelle. Aujourd’hui, le défis est la détection des modes B de polarisation de ce rayonnement. Ceux-ci constituent une signature des ondes gravi- tationnelles primordiales. Afin de pouvoir atteindre cet objectif, nous avons besoin d’instruments offrant des performances exceptionnelles autant au niveau des composants que de l’architecture. Cette thèse s’intéresse de près à des composants planaires supra-conducteurs conçus pour être intégrés dans ces instruments : en particulier des filtres, des diplexeurs de polarisation et des mo- dulateurs de phase. Ces composants pourront être utilisés dans l’interférométrie bolométrique, une architecture de détection particulièrement novatrice. L’expérience QUBIC dédié à l’observation des modes B est basé sur une telle architecture. Titre et résumé en anglais au recto de la dernière page. MOTS CLÉS Fond diffus cosmologique • Modes B de polarisation • Interférométrie bolomé- trique • QUBIC • Instrumentation millimétrique • Composants micro-ondes • Technologie planaire • supra-conducteurs • Filtres • OMT diplexeurs de polarisation • déphaseurs. DISCIPLINE ADMINISTRATIVE Astronomie et Astrophysique Adresse Laboratoire AstroParticule et Cosmologie (UMR7164) Université Paris Diderot 10 Rue Alice Domon et Léonie Duquet 75205 Paris Cedex 13 2 A ma petite Sabah, Bienvenue dans ce monde et que ta vie soit pleine de bonheur. 3 Rermerciements Je tiens à remercier tous ceux avec qui j’ai collaboré et sans qui ce travail n’aurait pas pu s’accomplir. Je pense d’abord à l’équipe d’instrumentation et services de l’APC : Michel, Eric, J-C, Damien, Fabrice, Michel (Pairat), Dominique, Nathan, Cyril, Jean Pierre, Yannick (je n’ai jamais vu quelqu’un d’aussi occupé être aussi disponible pour chacun). Merci aussi à Benoit, Frédérique, Faouzi, Frédéric, Andrea et toute l’équipe de Milan (Gigies) pour le temps, la patience et l’amitié qu’ils m’ont offert. Merci aussi aux anciens comme aux nouveaux étudiants qui maintiennent une ambiance aussi agréable. Je parle de : Antoine, Marcella, Florian, Clément, Sébastien, Romain, Silvia, Guillaume, Joseph. Finalement merci Leila pour ton soutient durant ces trois années de thèse. 5 Avant propos a science est pour moi la plus noble des quêtes, la quête d’une vérité enfantée par le doute ▲ qui habite le coeur de tout homme. La question des origines et du devenir, non le sien, mais celui de toute chose, est, sans doute, l’un de ses plus fidèles démons. Longtemps, ces questions sans réponses ont occupé la métaphysique et la philosophie. Depuis peu, la technique a sorti la cosmologie de l’ombre pour l’élever au rang de science. Cependant, cette “technique” est loin d’avoir la même noblesse car elle doit ses progrès les plus fulgurants aux vils besoins de domination et à l’appât du gain. On raconte que Galilée développa sa lunette astronomique grâce aux dons généreux d’un seigneur qui avait comme souci son application militaire. Plus tard, c’est à l’aide d’un télescope que Hubble observa le redshift des galaxies et en déduisit l’expansion de l’Univers. Au début du XX`eme siècle, la deuxième guerre mondiale a grandement contribué au développement des technologies de radar et de télécommunication. Aussi est-ce à l’aide d’une antenne prévue pour des liaisons satellites que le fond diffus cosmologique fut découvert. Cette lumière, vestige d’un passé lointain, est une source inépuisable d’information sur la physique des premiers instants de notre Univers. Afin d’introduire le contexte cosmologique, la première partie du présent document est consa- crée à la description du rayonnement fossile. Les développements présentés ont pour but premier l’amélioration des technologies et des méthodes d’observation nécessaires à sa détection et à sa caractérisation. Une attention particulière est portée sur une technique de mesure novatrice : l’in- terférométrie bolométrique, décrite dans la deuxième partie. Quant à la troisième partie, elle est consacrée aux développements instrumentaux qui constituent le coeur de mon travail. Filtres, di- plexeurs de polarisation et modulateurs de phase y sont étudiés. Dans ce manuscrit, la technique sert la cosmologie. L’on ne peut cependant détourner le regard de l’énorme apport de la physique du solide et des états condensés et de l’impact probable sur la vie quotidienne. Ceci pourrait être particulièrement le cas des supra-conducteurs et des métamatériaux. Il reste, évidemment, beaucoup à faire dans ce domaine et je suis content que cela serve directement une science aussi noble. 7 Table des matières Avant propos 7 Table des matières 9 Table des figures 13 Liste des tableaux 19 Liste des abréviations 21 Liste des symboles 23 I CONTEXTE SCIENTIFIQUE 25 1 Le Rayonnement Fossile & La Cosmologie 27 1.1 Introduction ........................................ 27 1.2 Historique ......................................... 27 1.3 Le modèle standard du Big-Bang ............................ 29 1.4 Le fond diffus cosmologique ............................... 32 1.4.1 Le corps noir ................................... 32 1.4.2 Le dipôle ..................................... 32 1.4.3 Les anisotropies primordiales .......................... 33 1.4.3.1 Anisotropies de température ..................... 34 1.4.3.2 Polarisation ............................... 35 1.5 A la recherche des modes B ............................... 37 1.6 Conclusion ........................................ 39 II INTERFÉROMÉTRIE BOLOMÉTRIQUE 41 2 Généralités sur l’Interférométrie Bolométrique 43 2.1 Introduction ........................................ 43 2.2 Raisons .......................................... 43 2.3 Architecture et Principe ................................. 45 2.4 Problématiques et Défis ................................. 47 2.5 Conclusion ........................................ 47 3 Démonstrateur d’Interférométrie Bolométrique 49 3.1 Introduction ........................................ 50 3.2 Fonctionnement ...................................... 50 3.3 Système d’analyse .................................... 51 3.4 Banc expérimental .................................... 52 3.4.1 Montage Bolométrique .............................. 52 3.4.2 Montage à température ambiante ........................ 53 3.5 Résultats ......................................... 54 3.5.1 Caractérisation des composants ......................... 54 9 3.5.2 Mesures larges-bande ............................... 55 3.5.2.1 Analyse ................................. 55 3.5.3 Réponse angulaire (4K) ............................. 58 3.6 Conclusion ........................................ 59 4 Q and U Bolometric Interferometer for Cosmology 61 4.1 Historique ......................................... 61 4.1.1 L’expérience MBI (2002) ............................ 61 4.1.2 L’expérience BRAIN (2005) ........................... 61 4.2 QUBIC aujourd’hui ................................... 62 4.2.1 Conception .................................... 62 4.2.2 Composants .................................... 63 4.3 Conclusion ........................................ 65 IIICOMPOSANTS MILLIMETRIQUES 67 5 Lignes de Transmission 69 5.1 Introduction ........................................ 69 5.2 Généralités ........................................ 69 5.3 Les Supra-conducteurs