Résumé :
Des scientifiques de l'École polytechnique fédérale de Zurich et de l'Institut Paul Scherrer ont récemment réalisé des progrès importants. Ils ont utilisé de l’hélium superfluide proche du zéro absolu pour créer un faisceau d’atomes de muons hautement contrôlables. Ils prévoient d’utiliser cet atome spécial pour tester directement si la gravité a exactement le même effet sur les particules élémentaires de deuxième génération que la matière ordinaire.
La clé de cette recherche n'est pas de prouver qu'il y a des problèmes avec la théorie d'Einstein, mais d'essayer pour la première fois d'étendre l'objet du test du principe d'équivalence gravitationnelle à la deuxième génération de particules élémentaires. Si l'expérience révèle finalement que le mouvement des murins dans le champ gravitationnel terrestre est inexplicablement différent de celui de la matière ordinaire, les résultats pourraient fournir des indices sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard actuel, et même impliquer une hypothèse de « cinquième force fondamentale ».
La matière du monde quotidien est principalement composée de protons, de neutrons et d'électrons. Ces particules appartiennent aux particules élémentaires dites de première génération. Il existe également des particules de deuxième et troisième génération ayant une masse plus importante, parmi lesquelles les muons sont les « parents » de deuxième génération des électrons. La masse d'un muon est environ 207 fois celle d'un électron, mais ce n'est pas un composant stable des atomes ordinaires, mais une particule élémentaire avec une durée de vie extrêmement courte.
Le Modèle Standard peut décrire ces différentes générations de particules, mais il ne peut pas expliquer une question fondamentale de longue date : pourquoi la nature nécessite trois générations de particules élémentaires, et pourquoi en plus de la première génération, il existe également des particules de deuxième et troisième génération avec des masses nettement plus élevées.
Les scientifiques espèrent donc en apprendre davantage sur les propriétés fondamentales de ces particules en étudiant le comportement gravitationnel des muons. Une question clé est de savoir si le principe d'équivalence d'Einstein s'applique non seulement à la matière ordinaire, mais aussi à la matière constituée de particules élémentaires de deuxième génération.
Le principe dit d'équivalence est lié à un phénomène très familier : lorsque des facteurs externes tels que la résistance de l'air sont ignorés, des objets de masses et de compositions différentes tomberont librement de la même manière dans le même champ gravitationnel. La physique moderne relie ce phénomène à l’équivalence entre masse gravitationnelle et masse inertielle, qui est également l’un des fondements importants de la relativité générale.
Dans le passé, les humains ont mené un grand nombre d'expériences de haute précision avec de la matière ordinaire, et ont également effectué des tests gravitationnels sur la première génération d'antimatière, mais la situation est complètement différente pour la deuxième génération de particules élémentaires. L'étude de la gravité des muons est difficile car les muons ne vivent en moyenne que 2,2 microsecondes environ avant de se désintégrer.
Les chercheurs ont choisi un type spécial d'atome appelé « musine » pour résoudre une partie du problème. Les muons sont composés d'un antimuon chargé positivement et d'un électron chargé négativement. Lorsqu’ils sont combinés, les deux sont électriquement neutres. Bien que sa structure soit similaire à celle d’un atome d’hydrogène, l’essentiel de sa masse provient des antimuons, qui sont beaucoup plus lourds que les électrons.
La neutralité électrique est une condition importante pour la réalisation des expériences. La gravité elle-même est très faible. Si des particules chargées sont directement impliquées dans des expériences, le champ électromagnétique extrêmement faible qui les entoure pourrait avoir un impact bien supérieur à l’effet gravitationnel, étouffant complètement le signal que les scientifiques souhaitent réellement mesurer.
Cependant, les anciennes méthodes de production de mucine présentent toujours un problème sérieux : la vitesse et la direction du mouvement de la mucine produite varient considérablement. Cela rend difficile pour les scientifiques de mesurer avec précision sa trajectoire alors qu'elle a une durée de vie de seulement 2,2 microsecondes, et encore moins de rechercher des déviations extrêmement faibles causées par la gravité terrestre.
La plus grande avancée de cette recherche est de résoudre le problème du contrôle du faisceau de muons.
L'équipe de recherche a projeté des antimuons depuis l'accélérateur de particules de l'Institut Paul Scherrer dans une couche d'hélium superfluide à une température proche du zéro absolu. L’hélium superfluide est un fluide quantique spécial qui présente des propriétés très particulières à des températures extrêmement basses.
Après avoir pénétré dans l'hélium superfluide, les antimuons décélérent rapidement et peuvent se combiner avec des électrons libres pour former des muons. Le murin est ensuite soumis au potentiel chimique particulier de l’hélium superfluide. Lorsqu'elle atteint la surface du liquide, l'énergie stockée dans ce potentiel chimique est convertie en énergie cinétique, provoquant le vol vertical du murin vers le haut depuis la surface du liquide.
Les chercheurs appellent donc ce processus « canon atomique ».
Par rapport aux muons désordonnés produits dans le passé, la nouvelle méthode peut créer des faisceaux de mucine « froids » avec des vitesses plus constantes et des directions de mouvement plus parallèles. « Froid » ici ne signifie pas simplement basse température, mais signifie que la distribution de la vitesse de déplacement de ces atomes est plus concentrée et peut se propager dans des directions presque parallèles à une vitesse relativement constante.
C'est crucial pour la prochaine expérience gravitationnelle. Étant donné que les muons ne peuvent exister que pendant quelques microsecondes, les chercheurs doivent leur permettre de réaliser l’ensemble du processus, depuis la production jusqu’au vol jusqu’à la mesure, dans un laps de temps très court. L'hélium superfluide contribue non seulement à produire un faisceau de muons plus régulier, mais il permet également aux muons d'éviter de nombreuses collisions et diffusions avant de quitter le liquide.
La prochaine étape pour les chercheurs consiste à utiliser un interféromètre atomique pour effectuer de véritables mesures de gravité. Les atomes ont une dualité onde-particule et peuvent donc interférer comme les ondes lumineuses. Les scientifiques feront passer un faisceau d'atomes murins à travers un dispositif d'interférence conçu avec précision, puis observeront si la gravité terrestre provoque des changements extrêmement minimes dans le modèle d'interférence résultant.
Si cette déviation peut être mesurée avec précision, le mouvement des muons dans le champ gravitationnel terrestre peut être calculé, testant ainsi directement si les particules de deuxième génération suivent les mêmes lois de chute libre que la matière ordinaire.
L'équipe de recherche espère tester cette année pour la première fois l'ensemble de l'approche expérimentale en utilisant le faisceau atomique nouvellement créé. Si tout se passe bien, une véritable expérience de gravité des muons devrait être menée d’ici deux à trois ans.
Cette technologie a également d'autres utilisations. Un faisceau de muons de plus haute intensité et plus régulier étant désormais disponible, les chercheurs peuvent également l'utiliser pour mener des expériences de spectroscopie laser plus précises. Ces mesures devraient aider les scientifiques à mieux déterminer la masse du muon et d'autres constantes physiques fondamentales.
Ce qui est vraiment excitant, ce sont les possibles « résultats inattendus » de l'expérience.
Si la matière murine se comporte différemment de la matière ordinaire dans un champ gravitationnel, cela signifierait qu'il existe un facteur non découvert dans la théorie physique existante. Les chercheurs pensent que l’anomalie pourrait même indiquer une « cinquième force fondamentale » encore inconnue, parmi d’autres explications théoriques possibles.
À l'heure actuelle, la physique a confirmé quatre interactions fondamentales, à savoir la gravité, l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Les physiciens ont proposé divers modèles théoriques pour l’existence possible d’une cinquième force fondamentale dans le passé, mais jusqu’à présent, aucune preuve expérimentale directe n’a été acceptée.
Cependant, l'équipe de recherche n'a pas conçu cette expérience pour « trouver la cinquième force ». Les chercheurs ont souligné que l’objectif le plus direct et le plus important de l’expérience est en réalité plus fondamental : mesurer pour la première fois si les muons composés de particules élémentaires de deuxième génération suivent également la relation équivalente entre masse gravitationnelle et masse inertielle.
Par conséquent, cette recherche ne renverse pas actuellement la théorie d’Einstein, ni ne découvre une cinquième force. Les scientifiques viennent enfin de mettre au point une technique expérimentale capable de réellement mesurer ce problème.
Si le résultat final est conforme aux prédictions de la relativité générale, cela prouvera en outre que le principe d'équivalence s'applique non seulement à la matière de première génération que nous connaissons, mais également aux particules élémentaires de deuxième génération ; si les résultats s'écartent d'une manière fiable qui ne peut être expliquée par des erreurs connues, les physiciens devront alors réexaminer la théorie existante et rechercher de nouveaux mécanismes physiques pouvant expliquer cette anomalie.
En d’autres termes, ce que vise réellement ce soi-disant « canon atomique » n’est pas Einstein lui-même, mais une question fondamentale qui dure depuis des centaines d’années : si les différents types de matière dans l’univers ressentent réellement la gravité exactement de la même manière.
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