The role of the Pauli principle in metastability exchange collisions

Abstract
In optical pumping experiments, metastability exchange collisions are used to transfer orientation, alignment, ... between different atomic levels. This article studies the effect of such collisions on the atom internal variables density operator by a method used in a previous publication for spin exchange collisions. The calculations are valid when the nuclei of the two atoms are distinguishable as well as when they are identical particles, which allows a detailed discussion of nuclear identity effects (apparent magnetic field, etc...). Two cases are successively studied : no depolarization of the electronic angular momentum (He*-He collisions) and partial depolarization (Ne*-Ne collisions for example). The nuclear identity effects should be observable in low temperature optical pumping experiments with noble gases. In an Appendix, another particle identity effect is studied, which can be observed in atomic beam experiments : during the collision of two 3He atoms, both in the ground state, the spin state of the atoms scattered in a particular direction can be changed by nuclear indistinguishability effects.

Résumé
Dans les expériences de pompage optique, les collisions d'échange de métastabilité peuvent servir à transférer de l'orientation, alignement, etc... entre divers niveaux atomiques. Cet article est consacré à l'étude de telles collisions et de la façon dont elles agissent sur l'opérateur densité décrivant les variables internes des atomes. Le calcul présenté est valable pour des noyaux discernables ou identiques, ce qui rend possible une discussion détaillée des effets d'indiscernabilité des noyaux (champ magnétique fictif, etc...). Deux cas sont étudiés : collisions sans dépolarisation (collisions He*-He), collisions avec dépolarisation partielle (Ne*-Ne par exemple). Les effets d'indiscernabilité nucléaire devraient être observables dans des expériences de pompage optique avec des gaz rares à basse température. Dans un appendice est discuté un autre effet d'indiscernabilité des particules qui peut être observé par des expériences de jets atomiques : au cours de la collision entre deux atomes 3He, tous deux dans le niveau fondamental, l'état de spin des atomes diffusés dans une direction particulière peut être changé par un effet d'indiscernabilité des noyaux.