Une vue de l'observatoire de neutrinos IceCube, enfoui à des profondeurs comprises entre 1,5 et 2,5 kilomètres sous la glace de l'Antarctique, au pôle Sud. Le seul équipement visible au-dessus de la surface est l'IceCube Lab, qui héberge les ordinateurs qui collectent les données de plus de 5 000 capteurs de lumière présents dans la glace. Crédit : Collaboration IceCube/NSF
Une équipe de l'Université de Copenhague contribue à une expérience à grande échelle en Antarctique visant à découvrir si la gravité existe également au niveau quantique ; Une particule extraordinaire, capable de voyager sans être dérangée dans l’espace, semble détenir la réponse.
Plusieurs milliers de capteurs répartis sur un kilomètre carré à proximité du pôle Sud ont pour mission de répondre à l'une des grandes questions en suspens de la physique : la gravité quantique existe-t-elle ? Les capteurs surveillent les neutrinos – des particules sans charge électrique et presque sans masse – arrivant sur Terre depuis l’espace. Une équipe de l'Institut Niels Bohr (NBI) de l'Université de Copenhague a contribué au développement d'une méthode qui exploite les données sur les neutrinos pour révéler si la gravité quantique existe.
« Si, comme nous le pensons, la gravité quantique existe bel et bien, cela contribuera à unir les deux mondes actuels de la physique. Aujourd’hui, la physique classique décrit les phénomènes de notre environnement normal, comme la gravité, tandis que le monde atomique ne peut être décrit qu’à l’aide de la mécanique quantique. L’unification de la théorie quantique et de la gravitation reste l’un des défis les plus importants de la physique fondamentale. Ce serait très satisfaisant si nous pouvions contribuer à cet objectif », déclare Tom Stuttard, professeur adjoint au NBI.
Enfin, le DOM descend dans le tableau où il peut commencer à prendre des données. Crédit : Mark Krasberg, IceCube/NSF
Tom Stuttard est co-auteur d'un article scientifique publié aujourd'hui par la prestigieuse revue Physique naturelle. L'article présente les résultats d'une vaste étude menée par l'équipe du NBI et des collègues américains. Plus de 300 000 neutrinos ont été étudiés. Cependant, il ne s’agit pas de neutrinos du type le plus intéressant provenant de sources situées dans l’espace lointain. Les neutrinos étudiés dans cette étude ont été créés dans l'atmosphère terrestre, lorsque des particules de haute énergie venues de l'espace sont entrées en collision avec de l'azote ou d'autres molécules.
« L'observation des neutrinos provenant de l'atmosphère terrestre présente l'avantage pratique qu'ils sont de loin plus courants que leurs frères et sœurs venus de l'espace. Nous avions besoin de données provenant de nombreux neutrinos pour valider notre méthodologie. Ceci est désormais accompli. Ainsi, nous sommes prêts à entrer dans la prochaine phase dans laquelle nous étudierons les neutrinos de l’espace lointain », déclare Tom Stuttard.
Tom Stuttard, professeur adjoint au NBI. Crédit : BNI
Voyager tranquillement à travers la Terre
L'observatoire de neutrinos IceCube est situé à côté de la station Amundsen-Scott du pôle Sud en Antarctique. Contrairement à la plupart des autres installations d'astronomie et d'astrophysique, IceCube fonctionne mieux pour observer l'espace de l'autre côté de la Terre, c'est-à-dire l'hémisphère Nord. En effet, si le neutrino est parfaitement capable de pénétrer notre planète – et même son noyau chaud et dense – d’autres particules seront stoppées, et le signal est ainsi beaucoup plus propre pour les neutrinos provenant de l’hémisphère Nord.
L'installation IceCube est exploitée par l'Université du Wisconsin-Madison, aux États-Unis. Plus de 300 scientifiques du monde entier participent à la collaboration IceCube. L'Université de Copenhague est l'une des plus de 50 universités disposant d'un centre IceCube pour l'étude des neutrinos.
Puisque le neutrino n’a pas de charge électrique et est presque sans masse, il n’est pas perturbé par les forces électromagnétiques et nucléaires puissantes, ce qui lui permet de parcourir des milliards d’années-lumière à travers l’Univers dans son état d’origine.
La question clé est de savoir si les propriétés du neutrino restent en fait totalement inchangées lors de son déplacement sur de grandes distances ou si de minuscules changements sont finalement notables.
« Si le neutrino subit les changements subtils que nous soupçonnons, cela constituerait la première preuve solide de la gravité quantique », explique Tom Stuttard.
Le Neutrino se décline en trois saveurs
Pour comprendre les changements recherchés dans les propriétés des neutrinos, certaines informations de base sont nécessaires. Bien que nous l'appelions une particule, ce que nous observons comme un neutrino est en réalité trois particules produites ensemble, ce que l'on appelle en mécanique quantique la superposition. Le neutrino peut avoir trois configurations fondamentales – les saveurs comme les appellent les physiciens – qui sont l'électron, le muon et le tau. Laquelle de ces configurations que nous observons change à mesure que le neutrino se déplace, un phénomène vraiment étrange connu sous le nom d'oscillations des neutrinos. Ce comportement quantique se maintient sur des milliers de kilomètres ou plus, ce que l’on appelle la cohérence quantique.
« Dans la plupart des expériences, la cohérence est vite rompue. Mais on ne pense pas que cela soit dû à la gravité quantique. Il est tout simplement très difficile de créer des conditions parfaites dans un laboratoire. Vous voulez un vide parfait, mais d'une manière ou d'une autre, quelques molécules parviennent à s'infiltrer, etc. En revanche, les neutrinos ont la particularité de ne pas être affectés par la matière qui les entoure. Nous savons donc que si la cohérence est rompue, ce ne sera pas dû à des défauts dans la matière. la configuration expérimentale artificielle », explique Tom Stuttard.
De nombreux collègues étaient sceptiques
Lorsqu'on lui demande si les résultats de l'étude publiée dans Nature Physics étaient comme prévu, le chercheur répond :
« Nous nous trouvons dans une catégorie rare de projets scientifiques, à savoir les expériences pour lesquelles aucun cadre théorique établi n'existe. Ainsi, nous ne savions tout simplement pas à quoi nous attendre. Cependant, nous savions que nous pouvions rechercher certaines des propriétés générales que l’on pourrait attendre d’une théorie quantique de la gravité.
« Même si nous avions l'espoir de constater des changements liés à la gravité quantique, le fait que nous ne les ayons pas vus n'exclut pas du tout qu'ils soient réels. Lorsqu’un neutrino atmosphérique est détecté dans l’installation antarctique, il aura généralement traversé la Terre. Soit environ 12 700 km, soit une distance très courte comparée aux neutrinos provenant de l’Univers lointain. Apparemment, une distance beaucoup plus longue est nécessaire pour que la gravité quantique ait un impact, si elle existe », explique Tom Stuttard, notant que l'objectif principal de l'étude était d'établir la méthodologie :
«Pendant des années, de nombreux physiciens ont douté que les expériences puissent un jour espérer tester la gravité quantique. Notre analyse montre que c’est effectivement possible, et avec les futures mesures de neutrinos astrophysiques, ainsi que la construction de détecteurs plus précis au cours de la décennie à venir, nous espérons enfin répondre à cette question fondamentale.
