La précision de leur dispositif expérimental inhabituel dépasse largement celle des expériences précédentes. De plus, elle permet de vérifier des hypothèses sur l'énergie noire.
La preuve expérimentale de la nature quantique de la gravité fait défaut
"La plupart des théoriciens sont probablement d'accord pour dire que la gravité est quantique. Mais personne n'en a jamais vu la preuve expérimentale", explique Müller. "Mais comme la sensibilité de notre expérience augmente de manière exponentielle avec le temps de maintien des atomes, nous avons une chance accrue de trouver la preuve expérimentale".
L'interférométrie atomique est l'art d'utiliser les propriétés quantiques d'une particule, c'est-à-dire le fait qu'elle se comporte à la fois comme une particule et comme une onde.
Holger Müller, physicien
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On peut se demander si Isaac Newton a réellement fait tomber une pomme sur sa tête et si cela lui a donné l'idée de la théorie de la gravité. Ce qui est indiscutable, c'est qu'il a compris vers 1665 que les objets s'attirent. Depuis lors, le phénomène de la gravitation est bien connu et les théories qui s'y rapportent sont assez bien étudiées. Mais bien que la gravitation soit la force dominante de la nature à grande échelle, elle est difficile à mesurer expérimentalement. De nombreuses questions restent ouvertes, comme son comportement à petite échelle ou son rôle dans les effets attribués à la matière noire et à l'énergie noire. Des physiciens de l'Université de Californie à Berkeley ont maintenant mis en place l'expérience la plus précise à ce jour pour rechercher des écarts mineurs par rapport à la théorie acceptée de la gravité. Ils en parlent dans la revue "Nature".
Pour cette expérience, l'équipe de recherche a combiné un interféromètre atomique avec un réseau optique. Un interféromètre atomique est un instrument de mesure spécial qui exploite les propriétés ondulatoires des atomes pour déterminer la constante gravitationnelle avec une grande précision. Un réseau optique est une structure spatialement périodique composée de deux faisceaux laser croisés dans laquelle des atomes ou des molécules peuvent être piégés. La lumière laser crée un moment dipolaire électrique dans chacun des atomes, ce qui fait que l'atome subit une force due au rayonnement électromagnétique. La combinaison de l'interféromètre atomique et du réseau optique permet aux chercheurs de capturer des atomes de césium pendant plusieurs secondes au lieu de millisecondes. Cela permet d'étudier les effets gravitationnels encore mieux qu'auparavant - d'un facteur trois à cinq, écrit l'équipe.
Même s'ils n'ont pas trouvé d'écart par rapport aux prédictions de la théorie établie par Isaac Newton il y a 400 ans, cette nette amélioration de la précision pourrait permettre d'explorer la force gravitationnelle au niveau quantique, déclare Holger Müller, professeur de physique à l'UC Berkeley, selon un communiqué de presse de son université. Car si les physiciens ont déjà bien démontré la nature quantique de trois des quatre forces de la nature - l'électromagnétisme et les interactions forte et faible - la nature quantique de la force gravitationnelle n'a pas encore été démontrée.
Et l'équipe de chercheurs a un autre espoir : leur expérience vise à traquer l'énergie noire, cette force mystérieuse qui fait que l'univers se disperse de plus en plus vite. La découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers est née il y a plus de 25 ans de l'observation de supernovae qui s'éloignent toutes de nous - et de plus en plus vite. L'une des nombreuses propositions d'explication de cette observation suggère que l'énergie noire est une cinquième force fondamentale répulsive qui agit beaucoup plus faiblement que la gravité et qui est médiatisée par une particule hypothétique appelée "caméléon". Dans le vide de l'espace, cette particule pourrait écarter l'espace. En revanche, dans un laboratoire sur Terre, où elle est protégée par la matière, elle aurait une portée extrêmement faible. Mais jusqu'à présent, cette particule n'a pas encore pu être détectée.
Le dispositif expérimental permet de mesurer des effets gravitationnels très fins, car chaque atome peut être placé dans une superposition spatiale de deux états de la physique quantique. Cela signifie que chaque atome se trouve en quelque sorte à deux endroits en même temps. Si on les place à proximité d'un poids de tungstène, l'état le plus proche du poids subit une force d'attraction plus forte, ce qui modifie la phase de l'atome. Une fois que la fonction d'onde de l'atome s'effondre, la différence de phase montre la différence d'attraction gravitationnelle entre eux. Cela permet de résoudre même les plus petites divergences qui seraient noyées dans d'autres mesures.
"L'interférométrie atomique est l'art d'utiliser les propriétés quantiques d'une particule, c'est-à-dire le fait qu'elle se comporte à la fois comme une particule et comme une onde. Nous scindons l'onde pour que la particule suive deux chemins en même temps, puis nous les superposons à nouveau à la fin", explique Müller. "Les ondes peuvent soit être en phase et s'additionner, soit être déphasées et s'annuler mutuellement. L'astuce est que la phase est très sensible à certaines grandeurs que l'on veut mesurer, comme l'accélération, la gravité, la rotation ou les constantes fondamentales."
Si les particules caméléons prédites existent, cela se traduit par la manière dont les atomes sont attirés par le poids du tungstène. Il devrait donc y avoir de petits écarts par rapport aux théories gravitationnelles courantes. Comme les expérimentateurs n'ont pas pu détecter une telle déviation, ils ont été en mesure de restreindre considérablement la plage d'énergie dans laquelle on peut chercher des particules caméléons. Entre-temps, les physiciens travaillent déjà à améliorer encore l'interféromètre atomique à réseau afin qu'il soit suffisamment sensible pour détecter les propriétés quantiques de la gravité - et répondre ainsi à l'une des questions les plus pressantes de la discipline.
