Si vous passez du temps dans les cercles de recherche en physique, vous avez peut-être entendu parler de la grande controverse G.

La constante universelle de la gravitation, G – affectueusement appelé « grand G » pour le distinguer du petit g, l'accélération due à la gravité terrestre – est une constante fondamentale de la nature. Il complète la célèbre équation qui décrit la force d'attraction gravitationnelle entre deux objets quelconques de l'univers, qu'il s'agisse de planètes, de personnes ou de fournitures de bureau.

Les scientifiques tentent de comprendre la force de la gravitation depuis qu'Isaac Newton a identifié pour la première fois la relation entre les masses et la force gravitationnelle il y a plus de 300 ans. Mais malgré des siècles de mesure, la constante n'est encore connue qu'à 3 chiffres significatifs, beaucoup moins que toute autre constante de la nature. La masse de l'électron, par exemple, est connu à environ 8 chiffres.

Par ailleurs, à mesure que les mesures G deviennent de plus en plus sophistiquées, plutôt que de converger vers une valeur unique, les résultats divergent de façon exaspérante les uns des autres, avec des barres d'erreur qui ne se chevauchent généralement pas.

"Big G a été un problème frustrant, " dit Carl Williams, Directeur adjoint du Laboratoire de mesures physiques (PML) du NIST. "Plus nous travaillons pour le fixer, plus les divergences semblent importantes. C'est un problème dont aucun métrologue ne peut être satisfait."

Malgré l'absence de convergence, la plupart de ces résultats disparates commencent à se regrouper autour d'une valeur. Mais il y a quelques valeurs aberrantes notables, comme une paire d'expériences très respectées menées au cours des 15 dernières années par le Bureau international des poids et mesures (BIPM), l'organisation intergouvernementale qui supervise les décisions relatives à la science de la mesure et aux normes.

« Il y a une sorte de grand débat :est-ce que nous ne comprenons pas vraiment la gravité en tant que théorie ? » dit Julian Stirling, chercheur invité postdoctoral au NIST. "Il y a une petite chance que notre compréhension de la gravité soit fausse et il y a quelque chose de légèrement différent dans ces expériences qui fait que la valeur est différente des autres grandes expériences G, ce qui serait vraiment intéressant."

La réponse la moins excitante mais la plus probable cependant, il dit, est que des erreurs systématiques se sont glissées dans les mesures du BIPM. Il y a donc deux ans, les scientifiques du BIPM et d'autres leaders dans les efforts mondiaux pour mesurer le grand G se sont réunis et ont décidé que ces tests devraient être effectués à nouveau avec le même équipement, mais dans un établissement différent et avec une équipe différente.

Les chercheurs du NIST ont relevé le défi et se préparent actuellement à répéter l'expérience du BIPM en utilisant l'appareil d'origine, avec quelques améliorations.

L'équilibre de torsion

G est difficile à mesurer en partie parce qu'il est extrêmement faible par rapport à d'autres forces fondamentales. Sa valeur est minime, environ 6,67 x 10 ^-11 m ³ kg ^-1 s ^-2 , mille milliards de milliards de milliards de fois plus faible que la force électromagnétique.

"La force gravitationnelle entre deux berlines garées à une place l'une de l'autre est environ 100 mille fois plus faible que la force pour séparer deux post-it, " Stirling dit. " Il y a une raison pour laquelle c'est la moins connue de toutes les constantes fondamentales. "

Pour discuter avec G, l'expérience du BIPM a utilisé une balance de torsion, une méthode populaire pour mesurer G et qui a été utilisée dans les toutes premières mesures par le scientifique anglais Henry Cavendish en 1798. Ce type d'appareil fonctionne en mesurant la force gravitationnelle entre des masses relativement petites, généralement des sphères ou des cylindres métalliques que vous pourriez tenir dans votre main, en mesurant la torsion ou le serrage d'un fil ou d'une bande de métal.

La version du BIPM est beaucoup plus sophistiquée que la balance Cavendish originale. Il utilise huit masses, cylindres en alliage de cuivre et de tellure. Quatre sont assis sur un carrousel rond qui peut être tourné entre les mesures. A l'intérieur du carrousel, les quatre autres messes, légèrement plus petit, s'asseoir sur un disque suspendu au sommet du balancier par une bande de cuivre-béryllium de 2,5 mm de large et 160 mm (environ 6 pouces) de long, avec environ l'épaisseur d'un cheveu humain.

Lorsque les masses extérieures sont placées de manière à être exactement au même niveau que les masses intérieures, il y a équilibre. Cependant, lorsque les masses extérieures sur leur carrousel sont tournées vers une nouvelle orientation, les masses intérieures ressentent une traction nette vers elles. La force gravitationnelle fait migrer les masses internes vers les masses externes, tordant la bande qui les suspend. La gravité terrestre n'affecte pas les mesures, puisque l'attraction entre les masses se produit perpendiculairement à l'attraction gravitationnelle de la planète.

La quantité de force nécessaire pour tordre la bande d'une certaine quantité est connue. Ainsi, en mesurant la distance physique parcourue par les masses internes vers les masses externes stationnaires, à l'aide d'une lumière laser et d'un miroir en haut de la bande, les scientifiques peuvent calculer l'importance de l'attraction gravitationnelle entre eux. Et, avec ces informations, ils peuvent combler les lacunes de l'équation de gravité de Newton pour calculer le grand G.

Mesures dimensionnelles en temps réel

Bien sûr, pour mesurer le grand G, les chercheurs doivent également mesurer les autres quantités de l'équation gravitationnelle de Newton. Cela signifie connaître la masse exacte et l'emplacement de toutes ses parties, " chaque trou, chaque masse, et chaque vis, " dit Stirling. Et cela nécessite une machine à mesurer tridimensionnelle (CMM).

Les MMT sont utilisées pour mesurer des dimensions avec une grande précision. Cette MMT particulière est une immense table en granit avec une sonde tactile aérienne, qui sera utilisé pour détecter les distances entre les points d'un objet en trois dimensions avec potentiellement un demi-millionième de mètre d'incertitude de mesure.

Les pièces individuelles de la balance de torsion seront sondées par une MMT avant le début des expériences. Mais la MMT sera également utilisée lors de l'expérience proprement dite, pour s'assurer que les distances entre les cylindres sont connues avec une grande précision. Chaque grande mesure de G s'effectue sous vide, Ainsi, seuls les cylindres extérieurs sont accessibles avec le capuchon à vide.

À l'heure actuelle, l'équipe se prépare toujours pour son essai. Cet été, un nouveau CMM a été livré au NIST qui était assez grand pour être utilisé pour l'expérience. En réalité, la MMT était si grosse qu'elle a dû être descendue en morceaux par un évent au-dessus du niveau du laboratoire, environ quatre étages sous terre, et un mur a dû être enlevé pour le faire entrer dans la salle de mesure.

Bien que le matériel provienne entièrement du BIPM, il y a quelques mises à jour. "Nous avons dû remplacer une grande partie de l'électronique, " Stirling dit. " Et aussi les ordinateurs ont un peu changé au cours des 15 dernières années. "

"Nous sommes extrêmement excités, et aussi un peu terrifié, pour voir si nous pouvons régler cet écart, et identifier de manière convaincante le biais de mesure ou la physique non comptabilisée - ou peut-être même la nouvelle physique - qui explique les résultats existants, " dit Jon Pratt, Chef de la division de mesure quantique de PML. « La partie terrifiante est évidente :un biais ou une physique inexpliquée dans cette expérience est de loin l'explication la plus probable, pourtant ils seront extrêmement difficiles à trouver, puisque certains des meilleurs scientifiques de la mesure au monde ont déjà fait de leur mieux pour les éliminer ! La partie excitante pour nous est peut-être moins évidente :en termes simples, régler ce type de divergence est l'essence même de la science, et un peu ce pour quoi nous vivons au NIST."

Les mesures commenceront cet hiver.