Une expérience capture des atomes en chute libre pour rechercher des anomalies gravitationnelles causées par l’énergie noire

L’énergie sombre, une force mystérieuse qui divise l’univers à un rythme toujours croissant, a été découverte il y a 26 ans et depuis, les scientifiques sont à la recherche d’une particule nouvelle et exotique provoquant cette expansion.

Repoussant les limites de cette recherche, les physiciens de l’Université de Californie à Berkeley ont construit l’expérience la plus précise à ce jour pour rechercher des écarts mineurs par rapport à la théorie acceptée de la gravité qui pourraient être la preuve de l’existence d’une telle particule, que les théoriciens ont surnommée caméléon ou symmétron. Les résultats sont publiés dans le numéro du 11 juin 2024 de Physique naturelle.

L’expérience, qui combine un interféromètre atomique pour des mesures précises de la gravité avec un réseau optique pour maintenir les atomes en place, a permis aux chercheurs d’immobiliser les atomes en chute libre pendant des secondes au lieu de quelques millisecondes pour rechercher des effets gravitationnels, surpassant ainsi la mesure la plus précise actuelle. un facteur cinq.

Bien que les chercheurs n’aient trouvé aucun écart par rapport à ce qui est prédit par la théorie énoncée par Isaac Newton il y a 400 ans, les améliorations attendues dans la précision de l’expérience pourraient éventuellement fournir des preuves qui soutiennent ou infirment les théories d’une hypothétique cinquième force médiée par des caméléons ou des symtrons. .

La capacité de l’interféromètre atomique sur réseau à retenir les atomes pendant 70 secondes – et potentiellement 10 fois plus longtemps – ouvre également la possibilité de sonder la gravité au niveau quantique, a déclaré Holger Müller, professeur de physique à l’UC Berkeley. Même si les physiciens disposent de théories éprouvées décrivant la nature quantique de trois des quatre forces de la nature – l’électromagnétisme et les forces fortes et faibles –, la nature quantique de la gravité n’a jamais été démontrée.

“La plupart des théoriciens conviennent probablement que la gravité est quantique. Mais personne n’a jamais vu de signature expérimentale de cela”, a déclaré Müller.

“Il est très difficile de savoir si la gravité est quantique, mais si nous pouvions retenir nos atomes 20 ou 30 fois plus longtemps que quiconque, parce que notre sensibilité augmente de façon exponentielle, nous aurions 400 à 800 000 fois plus de chances de trouver des preuves expérimentales. que la gravité est en effet une mécanique quantique. »

Outre les mesures de précision de la gravité, d’autres applications de l’interféromètre atomique sur réseau incluent la détection quantique.

“L’interférométrie atomique est particulièrement sensible à la gravité ou aux effets d’inertie. Vous pouvez construire des gyroscopes et des accéléromètres”, a déclaré Cristian Panda, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley, premier auteur de l’article. “Mais 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 contenus dans des réseaux optiques dans un boîtier compact résistant aux imperfections environnementales ou au bruit.”

Étant donné que le réseau optique maintient les atomes de manière rigide, l’interféromètre atomique à réseau pourrait même fonctionner en mer, où des mesures sensibles de la gravité sont utilisées pour cartographier la géologie du fond océanique.

Les forces blindées peuvent se cacher à la vue de tous

L’énergie sombre a été découverte en 1998 par deux équipes de scientifiques : un groupe de physiciens basé au Laboratoire national Lawrence Berkeley, dirigé par Saul Perlmutter, aujourd’hui professeur de physique à l’UC Berkeley, et un groupe d’astronomes comprenant Adam Riess, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley. Les deux hommes ont partagé le prix Nobel de physique 2011 pour cette découverte.

La prise de conscience que l’univers s’étendait plus rapidement qu’elle n’aurait dû est venue du suivi de supernovas lointaines et de leur utilisation pour mesurer les distances cosmiques. Malgré de nombreuses spéculations de la part des théoriciens sur ce qui divise réellement l’espace, l’énergie sombre reste une énigme – une grande énigme, puisqu’environ 70 % de la matière et de l’énergie totales de l’univers sont sous forme d’énergie noire.

Une théorie est que l’énergie noire n’est que l’énergie du vide de l’espace. Une autre est qu’il s’agit d’un champ d’énergie appelé quintessence, qui varie dans le temps et dans l’espace.

Une autre hypothèse est que l’énergie noire est une cinquième force beaucoup plus faible que la gravité et transmise par une particule qui exerce une force répulsive qui varie avec la densité de la matière environnante. Dans le vide de l’espace, elle exercerait une force répulsive sur de longues distances, capable de repousser l’espace. Dans un laboratoire sur Terre, avec de la matière tout autour pour la protéger, la particule aurait une portée extrêmement réduite.

Cette particule a été surnommée caméléon, comme si elle se cachait à la vue de tous.

En 2015, Müller a adapté un interféromètre atomique pour rechercher des preuves de la présence de caméléons en utilisant des atomes de césium lancés dans une chambre à vide, qui imite le vide de l’espace.

Pendant les 10 à 20 millisecondes qu’il a fallu aux atomes pour monter et descendre au-dessus d’une lourde sphère d’aluminium, lui et son équipe n’ont détecté aucun écart par rapport à ce que l’on pourrait attendre de l’attraction gravitationnelle normale de la sphère et de la Terre.

La clé pour utiliser des atomes en chute libre pour tester la gravité est la capacité d’exciter chaque atome dans une superposition quantique de deux états, chacun avec un élan légèrement différent qui les transporte à des distances différentes d’un lourd poids de tungstène suspendu au-dessus de leur tête. L’état d’impulsion plus élevé et d’élévation plus élevée subit une plus grande attraction gravitationnelle vers le tungstène, changeant sa phase.

Lorsque la fonction d’onde de l’atome s’effondre, la différence de phase entre les deux parties de l’onde de matière révèle la différence d’attraction gravitationnelle entre elles.

“L’interférométrie atomique est l’art et la science qui consiste à utiliser les propriétés quantiques d’une particule, c’est-à-dire le fait qu’elle est à la fois une particule et une onde. Nous divisons l’onde de manière à ce que la particule emprunte deux chemins en même temps, puis à la fin”, a déclaré Müller.

“Les ondes peuvent soit être en phase et s’additionner, soit être déphasées et s’annuler. L’astuce est que le fait qu’elles soient en phase ou déphasées dépend de manière très sensible de certaines quantités que vous pourriez vouloir prendre en compte. mesure, telle que l’accélération, la gravité, la rotation ou les constantes fondamentales.

En 2019, Müller et ses collègues ont ajouté un réseau optique pour maintenir les atomes proches du poids du tungstène pendant une période beaucoup plus longue (20 secondes, ce qui est stupéfiant), afin d’augmenter l’effet de la gravité sur la phase. Le réseau optique utilise deux faisceaux laser croisés qui créent un réseau d’endroits stables permettant aux atomes de se rassembler, en lévitation dans le vide. Mais 20 secondes était-elle la limite, se demanda-t-il ?

Au plus fort de la pandémie de COVID-19, Panda a travaillé sans relâche pour prolonger le temps d’attente, établissant systématiquement une liste de 40 obstacles possibles jusqu’à établir que l’inclinaison ondulée du faisceau laser, provoquée par les vibrations, constituait une limitation majeure.

En stabilisant le faisceau dans une chambre de résonance et en ajustant la température pour qu’elle soit un peu plus froide (dans ce cas, moins d’un millionième de Kelvin au-dessus du zéro absolu, ou un milliard de fois plus froide que la température ambiante), il a pu prolonger le temps de maintien jusqu’à 70 secondes.

Enchevêtrement gravitationnel

Dans l’expérience gravitationnelle récemment rapportée, Panda et Müller ont échangé un temps plus court, 2 secondes, contre une plus grande séparation des paquets d’ondes jusqu’à plusieurs microns, soit plusieurs millièmes de millimètre. Il y a environ 10 000 atomes de césium dans la chambre à vide pour chaque expérience – trop peu répartis pour interagir les uns avec les autres – dispersés par le réseau optique en nuages ​​d’environ 10 atomes chacun.

“La gravité essaie de les pousser vers le bas avec une force un milliard de fois plus forte que leur attraction vers la masse de tungstène, mais vous disposez de la force de restauration du réseau optique qui les maintient, un peu comme une étagère”, a déclaré Panda.

“Nous prenons ensuite chaque atome et le divisons en deux paquets d’ondes, donc maintenant il est dans une superposition de deux hauteurs. Et puis nous prenons chacun de ces deux paquets d’ondes et les chargeons dans un site de réseau séparé, une étagère séparée, donc il ressemble à une armoire. Lorsque nous éteignons le réseau, les paquets d’ondes se recombinent et toutes les informations quantiques acquises pendant le maintien peuvent être lues.

Panda envisage de construire son propre interféromètre atomique sur réseau à l’Université de l’Arizona, où il vient d’être nommé professeur adjoint de physique. Il espère l’utiliser pour, entre autres, mesurer plus précisément la constante gravitationnelle qui relie la force de gravité à la masse.

Pendant ce temps, Müller et son équipe construisent à partir de zéro un nouvel interféromètre atomique sur réseau offrant un meilleur contrôle des vibrations et une température plus basse. Le nouvel appareil pourrait produire des résultats 100 fois meilleurs que l’expérience actuelle, suffisamment sensibles pour détecter les propriétés quantiques de la gravité.

L’expérience prévue pour détecter l’intrication gravitationnelle, en cas de succès, s’apparenterait à la première démonstration de l’intrication quantique de photons réalisée à l’UC Berkeley en 1972 par feu Stuart Freedman et l’ancien chercheur postdoctoral John Clauser. Clauser a partagé le prix Nobel de physique 2022 pour ces travaux.

Les autres co-auteurs de l’article sur la gravité sont l’étudiant diplômé Matthew Tao et l’ancien étudiant de premier cycle Miguel Ceja de l’UC Berkeley, Justin Khoury de l’Université de Pennsylvanie à Philadelphie et Guglielmo Tino de l’Université de Florence en Italie.