Caché au fond d'un sous-sol à Stanford se trouve un tube de 10 mètres de haut, enveloppé dans une cage métallique et drapé de fils. Une barrière la sépare de la pièce principale, au-delà duquel le cylindre s'étend sur trois étages jusqu'à un appareil contenant des atomes ultra-froids prêts à tirer vers le haut. Des tables remplies de lasers pour tirer sur les atomes – et analyser leur réaction aux forces telles que la gravité – remplissent le reste du laboratoire.

Le tube est un interféromètre atomique, un appareil sur mesure conçu pour étudier la nature ondulatoire des atomes. Selon la mécanique quantique, les atomes existent simultanément sous forme de particules et d'ondes. L'instrument de Stanford représente un modèle pour un nouvel instrument ambitieux dix fois sa taille qui pourrait être déployé pour détecter les ondes gravitationnelles - de minuscules ondulations dans l'espace-temps créées par la dissipation de l'énergie des objets astronomiques en mouvement. L'instrument pourrait également faire la lumière sur un autre mystère de l'univers :la matière noire.

Les physiciens expérimentaux de Stanford Jason Hogan et Mark Kasevich n'ont jamais eu l'intention que leur appareil soit implémenté de cette façon. Lorsque Hogan a commencé ses études supérieures dans le laboratoire de Kasevich, il s'est plutôt concentré sur le test des effets de la gravité sur les atomes. Mais des conversations avec le physicien théoricien Savas Dimopoulos, professeur de physique, et ses étudiants diplômés – souvent attirés en bas par une machine à expresso logée juste en face du bureau de Kasevich – les ont amenés à commencer à réfléchir à son utilité en tant que détecteur hautement sensible.

"Nous parlions juste de physique, comme le font souvent les physiciens, " dit Kasevitch, professeur de physique et de physique appliquée à la School of Humanities and Sciences de Stanford. De fil en aiguille, le groupe a mis au point un plan audacieux pour créer un interféromètre atomique capable de détecter des ondes gravitationnelles que personne n'a vues auparavant.

Leur idée s'inscrit dans une autre vague balayant la physique, celui qui implique la cooptation d'instruments extrêmement sensibles développés à d'autres fins pour répondre à des questions fondamentales sur la nature.

Une nouvelle méthode de détection

En 2015, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté un bref signal provenant d'une collision vieille de 1,3 milliard d'années entre deux trous noirs supermassifs. Depuis, LIGO a catalogué plus d'ondes gravitationnelles passant par la Terre, fournir aux astronomes une nouvelle lentille puissante pour étudier l'univers.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps, un peu comme les vagues de l'océan, sauf qu'elles déforment l'espace, pas d'eau. En théorie, toute masse en accélération, que ce soit une main qui agite ou une planète en orbite, produit des ondes gravitationnelles. Ces mouvements, cependant, se produisent à des niveaux bien inférieurs à notre capacité à les détecter. Seules les ondes gravitationnelles provenant d'immenses phénomènes astronomiques provoquent des décalages suffisamment importants dans l'espace-temps pour qu'elles puissent être reconnues par des capteurs sur Terre.

Tout comme différentes fréquences composent le spectre électromagnétique, les ondes gravitationnelles varient également. LIGO et d'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels détectent une plage très étroite - des ondes à haute fréquence telles que celles à partir du moment où deux trous noirs entrent en collision - mais d'autres parties du spectre des ondes gravitationnelles restent inexplorées. Et tout comme les astronomes peuvent apprendre de nouvelles choses sur une étoile en étudiant sa lumière ultraviolette par rapport à sa lumière visible, l'analyse des données d'autres fréquences d'ondes gravitationnelles pourrait aider à résoudre les mystères de l'espace qui sont actuellement hors de portée, y compris ceux sur l'univers primitif.

"Nous avons identifié une région du spectre qui n'était bien couverte par aucun autre détecteur, et cela correspondait aux méthodes que nous développions déjà, " dit Hogan, professeur adjoint de physique à la Faculté des sciences humaines.

Au cours des études supérieures de Hogan, lui et ses collègues ont construit l'interféromètre atomique de 10 mètres de haut pour tester certaines de leurs idées. Cependant, afin d'augmenter la sensibilité de l'appareil, nécessaire pour détecter des oscillations spatio-temporelles inférieures à la largeur d'un proton, ils ont besoin d'un détecteur plus grand. Et donc le capteur interférométrique de gradiomètre atomique à ondes de matière à 100 mètres, ou MAGIS-100, l'expérience est née.

Avec l'aide d'une subvention de 9,8 millions de dollars de la Fondation Gordon et Betty Moore, les scientifiques prévoient de faire un puits souterrain existant au Fermilab, un laboratoire national du ministère de l'Énergie dans l'Illinois, La nouvelle maison de MAGIS-100.

"Vous pouvez trouver des trous dans le sol, mais c'est un peu difficile de trouver un trou dans le sol avec un labo qui s'y rattache, " a déclaré Rob Plunkett, un scientifique senior au Fermilab impliqué dans le projet.

Conceptuellement, MAGIS-100 fonctionnera de manière similaire à LIGO. Les deux expériences exploitent la lumière pour mesurer la distance entre deux masses d'essai, un peu comme la télémétrie radar. Mais tandis que LIGO a des miroirs, MAGIS-100 favorise les atomes.

"L'atome s'avère être une masse d'essai incroyable à ces fins, " a déclaré Hogan. "Nous avons des techniques très puissantes pour le manipuler et lui permettre d'être insensible à toutes les sources de bruit de fond."

Les miroirs de LIGO sont suspendus à des fils de verre, ce qui signifie qu'un tremblement de terre pourrait déclencher ses capteurs. MAGIS-100, d'autre part, a mis en place des mesures pour empêcher que de telles sources de bruits parasites n'affectent ses données.

Après avoir été refroidi à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, les atomes tombent verticalement dans l'arbre comme des gouttes d'eau qui s'égouttent d'un robinet. La température glaciale met les atomes dans un état de repos, alors ils restent immobiles pendant qu'ils tombent, et parce que l'arbre est un vide, les atomes s'effondrent sans risque de dévier. L'orientation verticale de l'arbre garantit également qu'une terre tremblante n'affectera pas les mesures.

Les lasers manipulent ensuite les atomes qui tombent et l'équipe peut mesurer combien de temps ils sont dans un état excité. Hogan et Kasevich espèrent utiliser le strontium comme masse d'essai - le même élément utilisé dans les horloges atomiques - pour déterminer s'il y a des retards lorsque la lumière excite les atomes. Un retard suggérerait qu'une onde gravitationnelle a traversé.

En outre, Les scientifiques de MAGIS-100 peuvent utiliser les données atomiques pour tester les prédictions faites par les modèles de matière noire. Selon certains modèles, la présence de matière noire pourrait entraîner des variations des niveaux d'énergie atomique. La technologie laser supersensible permet à Plunkett et à ses collaborateurs de rechercher ces variations.

Regarder vers l'espace

MAGIS-100 est un prototype, une autre étape vers la construction d'un appareil encore plus grand qui serait beaucoup plus sensible. Hogan et Kasevich ont déclaré qu'ils envisageaient un jour de construire quelque chose à l'échelle de LIGO, qui fait 4 kilomètres de long.

Parce qu'un futur MAGIS-100 à grande échelle devrait détecter des ondes gravitationnelles à basse fréquence autour de 1 Hertz, tels que ceux émis par deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre, il pourrait identifier les mêmes événements que LIGO a déjà vus, mais avant que les masses ne se heurtent réellement. Les deux expériences pourraient ainsi se compléter.

"Nous pourrions faire un détecteur qui pourrait voir le même système, mais beaucoup, beaucoup plus jeune, " dit Hogan.

Des détecteurs avancés de style MAGIS pourraient également trouver des sources d'ondes gravitationnelles qui volent sous le radar de LIGO. Ondes gravitationnelles primordiales, par exemple, produit quelques instants après le Big Bang.

"Détecter les ondes gravitationnelles qui proviennent de l'univers primitif peut faire la lumière sur ce qui s'est réellement passé, " a déclaré Kasevitch.

Personne ne connaît les fréquences de ces ondes gravitationnelles primordiales ni si le futur détecteur à grande échelle pourra les capter. Hogan a déclaré qu'il pensait qu'autant de détecteurs que possible devraient être construits afin de couvrir une large gamme de fréquences et simplement voir ce qui existe.

"Les sources connues qui sont passionnantes sont ces sources de type LIGO, " dit Hogan. " Ensuite, il y a l'inconnu, auquel nous devrions également être ouverts. »