En 2018, un nouveau réfrigérateur atomique va décoller pour la station spatiale. C'est ce qu'on appelle le Cold Atom Lab (CAL), et il peut réfrigérer la matière jusqu'à un dix milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, juste au-dessus du point où toute l'activité thermique des atomes s'arrête théoriquement.

« A cette température, les atomes perdent leur énergie et commencent à se déplacer très lentement, " explique Rob Thompson, Scientifique du projet CAL au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. "À température ambiante, les atomes rebondissent dans toutes les directions à quelques centaines de mètres par seconde. Mais dans CAL, ils ralentiront un million de fois et se condenseront en des états uniques de matière quantique. »

CAL est une installation multi-utilisateurs qui prend en charge de nombreux chercheurs étudiant un large éventail de sujets.

Eric Cornell, physicien à l'Université du Colorado et au National Institute of Standards and Technology, dirigera l'une des premières expériences CAL. Cornell et son équipe utiliseront CAL pour étudier les collisions de particules et la façon dont les particules interagissent les unes avec les autres. Les gaz ultra-froids produits par le Cold Atom Lab peuvent contenir des molécules de trois atomes chacune, mais qui sont mille fois plus grosses qu'une molécule typique. Il en résulte une faible densité, molécule "duveteuse" qui se désagrège rapidement à moins qu'elle ne soit maintenue extrêmement froide. Comment le comportement des particules est-il affecté à mesure que davantage de particules sont introduites ? Que peut-on apprendre sur les objets quantiques lorsque plusieurs atomes interagissent en même temps ?

Cornell dit, "La façon dont les atomes se comportent dans cet état devient très complexe, surprenant et contre-intuitif, et c'est pourquoi nous faisons cela."

Cornell a partagé le prix Nobel de physique 2001 pour la création de condensats de Bose-Einstein – un autre état de la matière quantique qui peut être étudié à l'intérieur du CAL.

Les condensats de Bose-Einstein sont essentiellement des gouttes de matière quantique qui ressemblent et se comportent comme des ondes qui existent à ces températures ultra-froides. Dans la chute libre de l'espace, les condensats peuvent conserver leurs formes ondulatoires pendant cinq à dix secondes – beaucoup plus longtemps que sur Terre – offrant aux chercheurs une fenêtre sur le domaine quantique.

Thompson dit, "Nous pouvons utiliser CAL pour tester la relativité générale et la mécanique quantique. L'une des plus grandes questions en physique aujourd'hui est de savoir comment ces deux fonctionnent ensemble."

Nick Bigelow, physicien de l'Université de Rochester, et Holger Müller, scientifique de l'Université de Berkeley et leurs collègues prévoient d'utiliser la CAL pour tester une pierre angulaire de la théorie de la relativité d'Einstein - le principe d'équivalence, qui soutient que la gravité et l'accélération externe ne peuvent pas être distinguées expérimentalement. Ils prévoient de répéter l'expérience emblématique de Galilée en laissant tomber des boulets de canon de la tour penchée de Pise, mais en utilisant des atomes à la place. Laisser tomber des atomes à l'intérieur de CAL et les laisser tomber pendant plusieurs secondes alors que la station orbite autour de la Terre permettra aux chercheurs de comprendre avec précision les différences entre la façon dont les atomes accélèrent. Cette expérience pourrait révéler comment la gravité et l'espace-temps sont tissés dans le domaine quantique.

Un chercheur du JPL nommé Jason Williams prévoit également d'utiliser des molécules ultrafroides à deux atomes pour développer des outils pour la prochaine génération de tests de gravité de précision avec des gaz quantiques.

De nombreuses autres expériences sont prévues pour ce nouveau laboratoire « cool » – et personne ne sait où elles mèneront. "Avec CAL, " dit Thompson, "Nous entrons dans l'inconnu."