AUn nouveau type de faisceau de particules pourrait remettre en question la théorie de la gravitation d'Einstein

par Barbara Vonarburg, ETH Zurich

Édité par Lisa Lock, révisé par Robert Egan

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Les expériences ont été réalisées à l'aide de cet accélérateur de particules au PSI, à Villigen. Crédit : Markus Fischer / Institut Paul Scherrer

La gravité agit-elle de la même manière sur toutes les particules de l'univers, ou existe-t-il des différences entre la matière ordinaire et la matière exotique ? Anna Soter, professeure de physique, et son équipe de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen étudient cette question. « Nous avons franchi une étape importante vers la réalisation d'une expérience passionnante sur ce sujet », déclare Mme Soter. « Nous voulons mesurer l'interaction gravitationnelle du muon. »

Toute la matière qui nous entoure — y compris nous-mêmes — est constituée de protons, de neutrons et d'électrons. Les physiciens désignent cet ensemble comme la première génération de particules. Il existe également deux autres générations comprenant des particules plus lourdes. Le muon, par exemple, est le « frère » plus lourd de l'électron et appartient à la deuxième génération.

Au PSI, les chercheurs produisent artificiellement des muons et leurs antiparticules dans un grand accélérateur de particules. Lorsqu'un antimuon chargé positivement s'associe à un électron chargé négativement, un atome neutre de muonium se forme.

Le modèle standard de la physique des particules décrit la structure de la matière en générations. « Mais nous, physiciens, ne comprenons pas encore pourquoi ces générations supplémentaires existent », explique Mme Soter. « Et pourquoi y en a-t-il trois au total ? » Une autre question particulièrement fascinante est de savoir si les particules de deuxième et troisième générations, dont la masse est plus élevée, se comportent exactement de la même manière face à la gravité que les particules plus légères de la première génération.

L'énigmatique principe d'équivalence

Dans le cas de la matière ordinaire, tous les corps chutent à la même vitesse en un point donné d'un champ gravitationnel. Cette universalité de la chute libre a été reconnue dès l'époque de Galilée et d'Isaac Newton et constitue, sous la forme du principe d'équivalence entre masse gravitationnelle et masse inertielle, une pierre angulaire de la théorie de la gravitation d'Albert Einstein.

Toutefois, ce principe déroutant n'a jusqu'à présent été démontré qu'avec de la matière ordinaire ou de l'antimatière de première génération. En mesurant le comportement gravitationnel du muonium, les chercheurs étudieraient pour la première fois la façon dont chute une particule de deuxième génération. « Le muonium, une forme de matière exotique, s'y prête parfaitement car c'est un atome neutre », explique Soter. « Après tout, pour faire chuter un objet, il faut qu'il soit neutre. » Dans le cas d'une particule chargée, le faible effet de la gravité serait masqué par des champs électromagnétiques parasites.

Cependant, il existe aussi des difficultés majeures : les muons se désintègrent très rapidement, en seulement 2,2 microsecondes. De plus, les sources de muonium utilisées jusqu'ici produisaient des atomes se dispersant dans toutes les directions à des vitesses variées, les rendant inadaptés à des expériences de précision.

Au PSI, les chercheurs viennent de réaliser une percée. « Nous avons réussi à produire des atomes de muonium dans un état "froid", ce qui rend l'expérience sur la gravité possible », déclare Soter. « Ici, "froid" signifie que les atomes se déplacent à des vitesses similaires, presque parallèlement les uns aux autres. »

Un fluide quantique pour une impulsion décisive

Ce résultat a été obtenu grâce à une nouvelle méthode de production d'atomes de muonium, comme le rapportent les chercheurs dans la revue *Nature Physics*. « Pour y parvenir, nous avons utilisé de l'hélium superfluide refroidi à une température proche du zéro absolu, soit -273 °C », explique Jesse Zhang, auteur principal de l'étude. « L'hélium superfluide est ce que l'on appelle un fluide quantique ; en son sein, les atomes d'hélium individuels perdent leur identité propre et le milieu ne tolère aucune impureté. »

La professeure Anna Soter et le doctorant Paul Wegmann assemblent des détecteurs cryogéniques en silicium pour l'expérience. Crédit : Robert Waddy / ETH Zurich

Mise en place de l'expérience

La méthode : les antimuons produits par l'accélérateur du PSI sont projetés dans une fine couche d'hélium superfluide, où ils sont ralentis. Lorsqu'un antimuon rencontre un électron libre dans l'hélium, un atome de muonium doté d'un potentiel chimique positif se forme et est, pour ainsi dire, expulsé du liquide. Lorsque le muon atteint la surface, ce potentiel chimique se transforme en énergie cinétique. L'atome reçoit une impulsion et jaillit verticalement hors du liquide. « Nous utilisons donc le potentiel chimique comme un canon atomique », explique Zhang.

Il est crucial que les atomes de muonium puissent se déplacer sans entrave à travers le liquide quantique, à une vitesse spécifique et sans collisions ; autrement, compte tenu de leur durée de vie extrêmement courte, ils n'atteindraient jamais la surface. « Pour nos expériences, nous utilisons également l'accélérateur de particules du PSI, qui génère les faisceaux de muons continus les plus intenses au monde », explique Soter. « Grâce à cette source de haute qualité, il est possible de produire une grande quantité d'atomes de muonium. »

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RESUME

Un nouveau type de faisceau de particules pourrait remettre en question la théorie de la gravitation d'Einstein.

Un faisceau froid et collimaté de muonium a été produit à l'aide d'hélium superfluide, ouvrant la voie à la mesure de la réponse gravitationnelle de particules de deuxième génération. Un interféromètre atomique pourrait détecter les décalages induits par la gravité malgré la durée de vie du muon (2,2 µs), permettant ainsi de vérifier si le principe d'équivalence s'applique au muoniu

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COMMENTAIRES 

Voila le genre d article  qui m'agace !!! c est tres bien de se demander si le principe d 'équivalence  s applique  a leur resultat de manip  et ce n est pas cela que je critique  ! Mais pourquoi  nous llaisser a ni  -chemin  ??? Je ne vois pas précisemment  ce qui leur manque !!

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