Les neutrons ultra-froids pourraient apporter la réponse.

Des physiciens viennent de développer une nouvelle technique tellement sensible qu'elle pourrait être utilisée pour mesurer les effets quantiques de la gravité. Des écarts infimes avec les lois newtoniennes pourraient apporter des indices de l'existence ou non de la matière noire ou de dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des cordes.

Des physiciens des particules de l'Université de Technologie de Vienne et de l'Institut Laue-Langevin (ILL) ont mis au point une nouvelle technique appelée Spectroscopie de Résonance Gravitationnelle, qui consiste à faire rebondir les neutrons ultra-froids le long d'un miroir pour observer leurs états quantiques d'énergie. En faisant vibrer le miroir à des fréquences particulières, les chercheurs sont capables de transférer les neutrons sur des états d'énergie plus élevés.
Il s'agit de la première méthode de spectroscopie à résonance qui n'utilise pas les forces électromagnétiques pour induire les transitions. Leur succès est une étape importante vers la modélisation des interactions gravitationnelles à très courtes distances et la recherche des minuscules écarts attendus par rapport à la gravité newtonienne pure.

L'étude, qui fait l'objet d'un article dans le journal Nature Physics, pourrait également tester le principe d'équivalence, une loi du 16ème siècle qui stipule que la gravité accélère tous les objets de la même façon, quelle que soit leur masse. En 1971, ce principe a été illustré par un membre de l'équipe d'Apollo, David Scott, qui, devant des millions de téléspectateurs, lâcha simultanément un marteau et une plume qui se posèrent au même moment sur le sol lunaire. Les chercheurs espèrent utiliser cette nouvelle technique pour tester pour la première fois l'exactitude du principe au niveau atomique.
Les effets de la gravité ne sont habituellement perceptibles qu'à de larges échelles, régissant les mouvements des étoiles et des planètes, alors que la mécanique quantique décrit les phénomènes aux échelles atomique et subatomique.

“Dans ce monde minuscule, la force gravitationnelle est si faible qu'il est difficile d'observer ses effets quantiques" explique le Professeur Abele, de l'Institut de Physique Atomique et Subatomique de Vienne. "L'utilisation d’atomes pour mesurer ces effets est extrêmement difficile étant donné qu'ils sont perturbés par des forces électriques à faible portée comme les forces de van der Waals et de Casimir. Par contre, en utilisant les neutrons ultra-froids de l'ILL, qui sont neutres, se déplacent très lentement et sont extrêmement peu sensibles aux perturbations électriques, nous pouvons mesurer ces effets avec une extrême précision". 

Le Professeur Abele, Tobias Jenke et des scientifiques de l'ILL ont fait appel à une technique de spectroscopie résonante de haute précision, habituellement appliquée aux interactions électromagnétiques, et l'ont utilisée pour la première fois pour mesurer la gravité.  Leurs travaux représentent une avancée importante par rapport aux études effectuées en 2002 [1] avec des neutrons ultra-froids et des miroirs pour observer les interactions gravitationnelles quantiques. Ces études avaient déjà été effectuées à l’ILL, leader mondial en sciences et techniques neutroniques. Au cours de sa recherche, le Professeur Abele et son équipe ont provoqué mécaniquement des transitions entre ces différents états énergétiques avec un champ oscillant, obtenu en faisant vibrer le miroir sous-jacent à une fréquence particulière.
En utilisant cette technique, les chercheurs seront capables à l'avenir de mesurer plus précisément les énergies associées aux différents états quantiques d'un neutron dans le champ gravitationnel terrestre.

Dr. Peter Geltenbort, un physicien de l'ILL qui a collaboré à cette recherche, déclare : “En 2002, les neutrons ultra-froids nous ont permis pour la première fois d'observer les différents états quantiques du neutron sous la gravité terrestre. Maintenant, avec cette technique, nous pouvons attribuer des énergies incroyablement précises à chacun de ces états. Il s'agit d'une avancée majeure pour ceux qui cherchent à comprendre la nature fondamentale de la gravité et à réunir la physique du monde atomique et la physique de notre monde.

Certains physiciens pensent que des mesures plus exactes de ces énergies révèleront une légère divergence par rapport aux valeurs attendues en utilisant les lois newtoniennes de la gravité.  Ils prédisent que la détection et la quantification de cette disparité apporteront la preuve de l’existence des particules de matière noire connues sous le nom d'axions ou de dimensions supplémentaires prédites par la théorie des cordes.
Comme le dit le Professeur Andrew Harrison, Directeur Scientifique de ILL : “ les neutrons sont une ressource précieuse pour la science appliquée, mais les recherches du Professeur Abele démontrent également leur utilité pour révéler les vérités les plus basiques de la nature. Grâce au programme de modernisation en cours, le programme Millenium, l'ILL continue à améliorer ses capacités à soutenir la science fondamentale et appliquée de classe mondiale".

Re.:    Nature Physics online, 17 April 2011

Contact: James Romero +44 845 680 1866

Notes aux éditeurs

1.    A l'ILL en 2002, des scientifiques ont placé un absorbeur de neutrons au-dessus d'un miroir horizontal avec une petite fente entre les deux pour projeter les neutrons ultra-froids à un angle ascendant. L'absorbeur élimine les neutrons qui s'écrasent sur lui au-dessus d'une certaine vitesse critique alors que les neutrons de plus faible énergie sont piégés par la surface réfléchissante au-dessous et la force gravitationnelle.

Ce "piège à neutrons" crée des poches d'énergie discrètes, ce qui signifie que seuls les neutrons possédant une vitesse verticale correspondant à l'un de ses états gravitationnels d'énergie quantique particuliers finissent par atteindre le détecteur.  En ajustant la hauteur de l'absorbeur au-dessus du miroir, les chercheurs ont observé des augmentations importantes du nombre de détections, correspondant aux différents états d'énergie quantique gravitationnels du neutron.  Nature, Vol 415, 2002, p297-299

2.  A propos de l'ILL – L' Institut Laue-Langevin (ILL) est un centre de recherche international basé à Grenoble, France. Depuis près de 40 ans il est leader mondial en sciences et techniques neutroniques ; les premières expériences ont eu lieu en 1972. L'ILL exploite un des sources de neutrons les plus puissantes au monde, alimentant une quarantaine d'instruments scientifiques de pointe. Le parc instrumental est en constante modernisation. Chaque année quelque 1200 chercheurs venus de 40 pays viennent conduire leurs expériences à l' ILL, dans des domaines aussi variés que la physique de la matière condensée, la chimie, la biologie, la physique nucléaire ou la science des matiéraux. La France, le Royaume-Uni et l'Allemagne sont les principaux pays qui gèrent et financent l'ILL, qui compte aussi des partenariats scientifiques avec 12 autres pays.

3. L'Institut de Physique Atomique et Subatomique de Vienne – L'Institut a été fondé en 1958 en tant qu'institut interuniversitaire pour toutes les universités autrichiennes et a commencé à fonctionner en 1962 quand le réacteur de recherche de l'institut, TRIGA Mark II, a été officiellement mis en service.  L'Institut est dédié à la recherche et à la formation dans les domaines de la physique atomique, nucléaire et des réacteurs, de la radiophysique et de la radioprotection, de la physique analytique environnementale et de la radiochimie, des techniques de mesure nucléaire et de la physique de la matière condensée.  Entre-temps des domaines de recherche additionnels se sont développés comme la physique quantique, l'optique quantique, la physique basse température et la superconductivité. Dès le début, l'Université de Technologie de Vienne a été choisie comme organe administratif de l'Institut, mais celui-ci a cependant gardé son statut d'entité légale indépendante pendant plus de trente ans. Aujourd'hui, l'Institut Atomique est l'un des quatre instituts de physique de l'Université de Technologie de Vienne avec les instituts de physique théorique, de physique générale et de physique de la matière condensée.