Les physiciens de l'UC Berkeley ont immobilisé de petits amas d'atomes de césium (blobs roses) dans une chambre à vide verticale, puis ont divisé chaque atome dans un état quantique dans lequel la moitié de l'atome était plus proche d'un poids de tungstène (cylindre brillant) que l'autre moitié (cylindre divisé). sphères en dessous du tungstène). En mesurant la différence de phase entre les deux moitiés de la fonction d’onde atomique, ils ont pu calculer la différence d’attraction gravitationnelle entre les deux parties de l’atome, ce qui correspondait à ce que l’on attend de la gravité newtonienne. Crédit : Cristian Panda/UC Berkeley
Une expérience consiste à capturer des atomes en chute libre pour rechercher des anomalies gravitationnelles causées par l'énergie manquante de l'Univers.
Des chercheurs de l'UC Berkeley ont amélioré la précision des expériences gravitationnelles à l'aide d'un atome Un interféromètre combiné à un réseau optique prolonge considérablement le temps pendant lequel les atomes peuvent être maintenus en chute libre. Bien qu'elles n'aient pas encore permis de détecter d'écarts par rapport à la gravité de Newton, ces avancées pourraient potentiellement révéler de nouveaux aspects quantiques de la gravité et tester des théories sur des particules exotiques comme les caméléons ou les symmétrons.
Il y a 26 ans, des physiciens ont découvert l'énergie noire, une force mystérieuse qui éloigne l'univers à un rythme toujours plus rapide. Depuis, les scientifiques sont à la recherche d'une particule nouvelle et exotique à l'origine de cette expansion.
Repoussant les limites de cette recherche, Université de Californie, Berkeley Les physiciens ont désormais 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.
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 des atomes en chute libre pendant quelques secondes au lieu de quelques millisecondes pour rechercher des effets gravitationnels, surpassant ainsi la mesure la plus précise actuelle d'un facteur cinq.
La lueur violette d'un laser infrarouge illumine le banc optique utilisé dans l'expérience. Le laser est utilisé pour contrôler avec précision les états quantiques des atomes de césium dans une chambre à vide. Crédit : laboratoire de Holger Müller
À la découverte de la nature quantique de la gravité
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 symmétrons. .
La capacité de l’interféromètre à atomes en réseau à retenir des 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’Université de Californie à Berkeley. Alors que les physiciens disposent de théories bien testées décrivant la nature quantique de trois des quatre forces de la nature – l’électromagnétisme et les forces forte et faible – la nature quantique de la gravité n’a jamais été démontrée.
« La plupart des théoriciens s’accordent probablement à dire que la gravité est quantique. Mais personne n’a jamais observé de signature expérimentale de ce phénomène », 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 avec la deuxième ou la quatrième puissance du temps de maintien, nous aurions 400 à 800 000 fois plus de chances de trouver la preuve expérimentale que la gravité est effectivement de la mécanique quantique. »
Un réseau optique piège des groupes d'atomes (disques bleus) dans un réseau régulier afin qu'ils puissent être étudiés pendant plus d'une minute à l'intérieur d'un interféromètre atomique à réseau. Les atomes individuels (points bleus) sont placés dans une superposition spatiale quantique, c'est-à-dire dans deux couches du réseau à la fois, indiquées par les bandes jaunes allongées. Crédit : Sarah Davis
Applications et orientations futures de la détection 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 inertiels. On peut construire des gyroscopes et des accéléromètres », explique Cristian Panda, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie à Berkeley et premier auteur d’un article sur les mesures de la gravité qui doit être publié cette semaine dans la revue Nature et est co-écrit par Müller. « 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 en réseau pourrait même fonctionner en mer, où des mesures sensibles de la gravité sont utilisées pour cartographier la géologie du fond océanique.
Un aperçu de l'énergie noire et de la particule caméléon
L'énergie noire a été découverte en 1998 par deux équipes de scientifiques : un groupe de physiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory, dirigé par Saul Perlmutter, aujourd'hui professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley, et un groupe d'astronomes dont faisait partie Adam Riess, chercheur postdoctoral à l'Université de Californie à Berkeley. Les deux hommes se sont partagé le prix Nobel de physique 2011 pour cette découverte.
L'expansion de l'univers plus rapide que prévu a été constatée grâce à la détection de supernovae lointaines et à leur utilisation pour mesurer les distances cosmiques. Malgré les nombreuses spéculations des théoriciens sur ce qui éloigne réellement l'espace, l'énergie noire reste une énigme – une énigme de taille, puisque près de 70 % de la matière et de l'énergie de l'univers se présentent sous forme d'énergie noire.
Sur cette photographie, on peut voir des amas d'environ 10 000 atomes de césium flottant dans une chambre à vide, soulevés par des faisceaux laser croisés qui créent un réseau optique stable. Un poids cylindrique en tungstène et son support sont visibles au sommet. Crédit : Cristian Panda, UC Berkeley
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.
Progrès dans les techniques d'interférométrie atomique
En 2015, Müller a adapté un interféromètre atomique pour rechercher des preuves de caméléons à l'aide d'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 exploiter les propriétés quantiques d’une particule, c’est-à-dire le fait qu’elle soit à la fois une particule et une onde. Nous divisons l’onde de manière à ce que la particule suive deux chemins en même temps, puis nous les interférons à la fin », explique Müller. « Les ondes peuvent soit être en phase et s’additionner, soit être déphasées et s’annuler. Le problème est que le fait qu’elles soient en phase ou déphasées dépend de manière très sensible de certaines quantités que l’on souhaite mesurer, comme l’accélération, la gravité, la rotation ou les constantes fondamentales. »
Repousser les limites de la physique expérimentale
En 2019, Müller et ses collègues ont ajouté un réseau optique pour maintenir les atomes à proximité du poids en tungstène pendant une durée beaucoup plus longue (20 secondes, ce qui est étonnant) afin d’augmenter l’effet de la gravité sur la phase. Le réseau optique utilise deux faisceaux laser croisés qui créent un réseau de points stables en forme de réseau pour que les atomes se rassemblent et lévitent dans le vide. Mais 20 secondes étaient-elles la limite, s’est-il demandé ?
Au plus fort de la COVID 19 Pendant la pandémie, Panda a travaillé sans relâche pour prolonger le temps d'attente, en corrigeant systématiquement une liste de 40 obstacles possibles jusqu'à établir que l'inclinaison instable du faisceau laser, causée par les vibrations, était une limitation majeure. En stabilisant le faisceau dans une chambre de résonance et en modifiant la température pour qu'elle soit un peu plus froide – dans ce cas, moins d'un millionième de Kelvin au-dessus zéro absolusoit un milliard de fois plus froid que la température ambiante, il a pu prolonger le temps de maintien à 70 secondes.
Lui et Müller ont publié ces résultats dans le numéro du 11 juin 2024 de Physique de la nature.
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, il se trouve donc maintenant dans une superposition de deux hauteurs. Et puis nous prenons chacun de ces deux paquets de vagues et les chargeons sur un site en treillis séparé, une étagère séparée, pour que cela 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, entre autres, pour 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 Californie à Berkeley. Université de Pennsylvanie à Philadelphie et Guglielmo Tino de l'Université de Florence en Italie. Les travaux sont soutenus par la National Science Foundation (1708160, 2208029), l'Office of Naval Research (N00014-20-1-2656) et le Jet Propulsion Laboratory (1659506, 1669913).
