Laboratoire IceCube sous les étoiles en Antarctique. Crédit : Martin Wolf, IceCube/NSF
Les recherches menées au pôle Sud ont étudié la mystérieuse structure quantique de l'espace et du temps.
La théorie de la relativité générale d'Einstein explique que la gravité est causée par une courbure des directions de l'espace et du temps. La manifestation la plus familière de ce phénomène est la gravité terrestre, qui nous maintient au sol et explique pourquoi les balles tombent au sol et pourquoi les individus ont du poids lorsqu'ils montent sur une balance.
Dans le domaine de la physique des hautes énergies, en revanche, les scientifiques étudient de minuscules objets invisibles qui obéissent aux lois de la mécanique quantique, caractérisés par des fluctuations aléatoires qui créent une incertitude sur les positions et les énergies des particules comme les électrons, les protons et les neutrons. Comprendre le caractère aléatoire de la mécanique quantique est nécessaire pour expliquer le comportement de la matière et de la lumière à une échelle subatomique.
Poursuite de la gravité quantique
Depuis des décennies, les scientifiques tentent de combiner ces deux domaines d’étude pour parvenir à une description quantique de la gravité. Cela combinerait la physique de la courbure associée à la relativité générale avec les mystérieuses fluctuations aléatoires associées à la mécanique quantique.
Une nouvelle étude dans Physique naturelle des physiciens de l'Université du Texas à Arlington rapportent une nouvelle sonde approfondie sur l'interface entre ces deux théories, utilisant des particules de neutrinos à ultra haute énergie détectées par un détecteur de particules installé profondément dans le glacier de l'Antarctique au pôle sud.
Enfin, le DOM descend dans le tableau où il peut commencer à prendre des données. Crédit : Mark Krasberg, IceCube/NSF
Efforts expérimentaux en Antarctique
« Le défi consistant à unifier la mécanique quantique avec la théorie de la gravitation reste l'un des problèmes non résolus les plus urgents en physique », a déclaré le co-auteur Benjamin Jones, professeur agrégé de physique. « Si le champ gravitationnel se comporte de manière similaire aux autres champs naturels, sa courbure devrait présenter des fluctuations quantiques aléatoires. »
Akshima Negi et Grant Parker, étudiants diplômés de l'UTA et de Jones, faisaient partie d'une équipe internationale de collaboration IceCube qui comprenait plus de 300 scientifiques des États-Unis, ainsi que d'Australie, de Belgique, du Canada, du Danemark, d'Allemagne, d'Italie, du Japon, de Nouvelle-Zélande et de Corée. , la Suède, la Suisse, Taiwan et le Royaume-Uni.
Benjamin Jones, professeur agrégé de physique à l'Université du Texas à Arlington. Crédit : UT Arlington
Pour rechercher des signatures de la gravité quantique, l'équipe a placé des milliers de capteurs sur un kilomètre carré près du pôle sud de l'Antarctique, qui ont surveillé les neutrinos, des particules subatomiques inhabituelles mais abondantes, de charge neutre et sans masse. L'équipe a pu étudier plus de 300 000 neutrinos. Ils cherchaient à voir si ces particules à très haute énergie étaient gênées par des fluctuations quantiques aléatoires dans l’espace-temps auxquelles on pourrait s’attendre si la gravité était mécanique quantique, lorsqu’elles parcourent de longues distances à travers la Terre.
Résultats des observations de neutrinos
« Nous avons recherché ces fluctuations en étudiant les saveurs des neutrinos détectés par l'observatoire IceCube », a déclaré Negi. « Nos travaux ont abouti à une mesure beaucoup plus sensible que les précédentes (plus d'un million de fois plus, pour certains modèles), mais ils n'ont pas trouvé de preuve des effets gravitationnels quantiques attendus. »
Cette non-observation d’une géométrie quantique de l’espace-temps est une déclaration puissante sur la physique encore inconnue qui opère à l’interface de la physique quantique et de la relativité générale.
« Cette analyse représente le dernier chapitre de la contribution de l'UTA à l'Observatoire IceCube, qui dure depuis près d'une décennie », a déclaré Jones. « Mon groupe poursuit actuellement de nouvelles expériences visant à comprendre l'origine et la valeur de la masse des neutrinos en utilisant des techniques de physique atomique, moléculaire et optique. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Neutrinos Whisper Quantum Gravity Secrets From the South Pole.
