Deux expériences testent la gravité d’Einstein à l’échelle quantique

Dans deux avancées rapportées ce mois-ci, des physiciens ont testé le principe d'équivalence d'Einstein de manières inédites: une équipe en mesurant la phase quantique d'un atome en chute libre, l'autre en construisant un faisceau de particules exotiques qui pourrait étendre le test à une toute nouvelle classe de matière.

Une onde quantique en chute confirme Einstein

Une équipe internationale dirigée par l'Université Ben Gourion du Néguev, l'Université d'Ulm et l'Université d'Oxford a mesuré pour la première fois directement la phase quantique acquise par un objet en chute libre, constatant qu'elle correspond à la prédiction dérivée du principe d'équivalence d'Einstein. L'étude, publiée le 2 septembre dans Science Advances, comptait le prix Nobel Sir Roger Penrose parmi ses coauteurs.science+2

À l'aide d'un appareil appelé interféromètre quantique de Galilée, les chercheurs ont divisé des nuages d'atomes de rubidium refroidis près du zéro absolu en superpositions quantiques, envoyant une partie de l'onde de chaque atome en chute libre tout en maintenant l'autre stationnaire grâce à un champ magnétique. Lorsque les deux moitiés se sont réunies, le motif d'interférence a révélé une différence de phase cohérente avec la prédiction d'Einstein selon laquelle les effets de la gravité disparaissent pour un observateur en chute libre.scitechdaily+2

"Cette expérience pousse la mécanique quantique vers l'une de ses frontières les plus intrigantes, la gravité, et montre qu'une fois de plus, ses prédictions tiennent la route", a déclaré le coauteur de l'étude, Vlatko Vedral, de l'Université d'Oxford. L'auteur principal, Ron Folman, de l'Université Ben Gourion, a qualifié le travail d'"article unique, en ce sens qu'il combine une expérience rigoureuse avec une interprétation théorique de grande portée" sur l'unification de la gravité et de la théorie quantique.ox+1

L'expérience ne teste pas si la gravité elle-même est quantique. Elle n'atteint pas non plus la masse ou les échelles de temps nécessaires pour sonder la proposition de Penrose selon laquelle la mécanique quantique pourrait s'effondrer pour des objets suffisamment massifs, bien que le groupe travaille déjà vers cet objectif en utilisant des particules plus lourdes comme les nanodiamants.scitechdaily

Un canon atomique pour la matière exotique

Par ailleurs, des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer ont rapporté dans Nature Physics le 14 septembre avoir créé un faisceau étroitement contrôlé de muonium, un atome exotique dont la masse provient presque entièrement d'un muon, un cousin plus lourd de l'électron. Personne n'avait jamais testé directement si la gravité agit de la même manière sur de telles particules de deuxième génération.nature+1

L'équipe a projeté des antimuons dans une couche de deux millimètres d'hélium superfluide refroidi à environ 0,2 kelvin. Le liquide a expulsé les atomes de muonium résultants vers le haut dans le vide à une plage étroite de vitesses proches de 2,1 kilomètres par seconde, fonctionnant comme ce que les chercheurs ont décrit comme un "canon atomique". Le faisceau est bien plus ordonné que tout ce qui avait été réalisé auparavant pour le muonium, dont la durée de vie de 2,2 microsecondes rendait de telles expériences impraticables depuis longtemps.thebrighterside+1

"Nous avons franchi une étape importante vers la réalisation d'une expérience passionnante", a déclaré la professeure de l'ETH Zurich, Anna Soter, qui a dirigé les travaux. "Nous voulons mesurer l'interaction gravitationnelle du muon". L'équipe prévoit qu'elle pourrait atteindre une précision d'environ un pour cent sur l'accélération gravitationnelle du muonium après environ 100 jours de collecte de données, bien que l'interférométrie et les contrôles systématiques requis pour une mesure réelle de la gravité restent à démontrer.ethz+1

Relier deux piliers de la physique

Aucune de ces expériences ne résout l'incompatibilité de longue date entre la mécanique quantique et la relativité générale. Mais ensemble, elles marquent un front élargi dans l'effort visant à tester la gravité d'Einstein à l'échelle quantique, des atomes de rubidium ordinaires qui ont confirmé une prédiction vieille d'un siècle aux particules exotiques à courte durée de vie qui n'avaient jamais été pesées par la gravité auparavant.