Sur cette photographie, on peut voir des groupements d’environ dix mille atomes de césium flottant dans une chambre à vide, lévités par des faisceaux laser croisés qui créent un réseau optique stable. Une masse cylindrique en tungstène et son support sont visibles ci-dessus. Crédits : Cristian Panda, UC Berkeley
Autrefois, pour étudier la gravité, il suffisait de laisser tomber un objet d’en haut, comme dans le cas de la célèbre expérience, attribuée à Galilée, de la chute de corps lourds de la tour de Pise. Aujourd’hui les questions de physique fondamentale encore sans réponse – et elles sont nombreuses – autour de celle qui reste la plus irréductible des forces, la seule qui résiste encore à une théorie du tout, nécessitent des expériences énormément plus complexes. Des expériences comme celle préparée par une équipe de physiciens de l’Université de Californie à Berkeley, rapportée cette semaine dans les pages de Nature, pour rechercher de minuscules écarts par rapport à la théorie communément acceptée de la gravité. Des écarts qui, s’ils étaient découverts, pourraient offrir des indices, par exemple, pour mieux comprendre la nature de l’énergie noire. Bien que les chercheurs n’aient trouvé aucun écart par rapport à la théorie de la gravité de Newton, les améliorations attendues dans la précision de l’expérience promettent de découvrir des preuves pour soutenir – ou réfuter – des théories telles que celle sur une hypothétique “cinquième force” médiée par des particules, appelée “caméléon”. , ou « symtrons », candidats pour expliquer l’énergie noire.
L’expérience, réalisée à la suite d’autres analogues dont nous avons déjà parlé Médias Inaf, combine un interféromètre atomique, qui permet de mesurer avec précision la gravité, avec un réseau optique capable de maintenir en position de petits groupes d’atomes – en l’occurrence des groupes d’environ dix mille atomes de césium –, de les refroidir et de les piéger grâce à un système de faisceaux laser, pendant des durées relativement très longues, jusqu’à 70 secondes. Permettant ainsi d’arriver à une mesure de l’attraction gravitationnelle exercée sur les atomes par une petite masse – un cylindre de tungstène – cinq fois plus précise que la meilleure disponible aujourd’hui.
Représentation schématique de l’expérience réalisée à l’UC Berkeley. Des petits amas d’atomes de césium (en rose) ont été immobilisés dans une chambre à vide verticale, puis chaque atome a été scindé en deux paquets d’ondes (en blanc et bleu clair) pour qu’ils se retrouvent dans une superposition quantique de deux “hauteurs”, la partie supérieure « la moitié » (en blanc) la plus proche de la masse de tungstène (le cylindre brillant) et l’autre « moitié » (en bleu clair) plus basse. Lorsque les paquets d’ondes se recombinent, ils provoquent des interférences qui permettent de mesurer la différence d’attraction gravitationnelle entre les deux « moitiés ». Crédits : Cristian Panda/UC Berkeley
Mais comment ça fonctionne? «Dans une première phase, les atomes de césium sont refroidis par la lumière laser jusqu’à une température proche du zéro absolu et piégés dans des “trous” lumineux à proximité d’un petit cylindre de tungstène», explique-t-il à Médias Inaf l’un des co-auteurs de l’étude, Guglielmo Maria Tino de l’Université de Florence. « Par la suite, un interféromètre atomique est créé : chaque atome est amené pendant quelques secondes dans un état quantique dans lequel il se trouve simultanément dans deux positions différentes dans lesquelles les valeurs du champ gravitationnel généré par la masse source sont différentes. Lorsque les deux parties sont à nouveau superposées, un effet d’interférence quantique est observé à partir duquel l’attraction gravitationnelle exercée sur les atomes par la masse de tungstène peut être mesurée.
«Par rapport aux expériences précédentes basées sur l’interférométrie atomique pour l’étude des effets gravitationnels, comme celles menées par mon groupe à Florence depuis une vingtaine d’années, la particularité de ce travail», poursuit Tino, «est dans la petite masse source utilisée, en incluant la nécessité d’optimiser la sensibilité de l’interféromètre atomique tout en contrôlant les éventuels effets systématiques.
L’objectif principal de ces expériences, comme nous l’avons dit, est de chercher des réponses aux grands problèmes non résolus de la physique fondamentale, depuis la nature de l’énergie noire jusqu’à la recherche d’une formulation quantique de la gravité. “La plupart des théoriciens s’accordent sur le fait que la gravité est quantique, mais personne n’a jamais observé de signature expérimentale à cet égard”, rappelle à ce propos un autre auteur de l’étude, Holger Müller de l’Université de Berkeley. « Si nous pouvions retenir nos atomes 20 ou 30 fois plus longtemps que jamais, nous pourrions avoir 400 à 800 000 fois plus de chances de trouver la preuve que la gravité est bien quantique. »
L’interféromètre à réseau atomique peut également être utilisé, comme capteur quantique, pour des applications plus « quotidiennes » nécessitant des mesures précises de la gravité. « L’interférométrie atomique est particulièrement sensible aux effets de la gravité ou de l’inertie. Il est possible de l’exploiter pour construire des gyroscopes et des accéléromètres”, souligne le premier auteur de l’étude, Cristian Panda, par l’UC Berkeley. “Cela donne une nouvelle direction à l’interférométrie atomique, où la détection quantique de la gravité, de l’accélération et de la rotation pourrait être réalisée avec des atomes retenus grâce à des réseaux optiques dans une structure compacte qui résiste aux imperfections environnementales ou au bruit.”
« De tels appareils », conclut Tino, « pourraient être utilisés, par exemple, dans la recherche de cavités souterraines et de ressources minérales, dans la surveillance de volcans actifs et dans l’étude des tremblements de terre ».
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