Plusieurs milliers de capteurs répartis sur un kilomètre carré à proximité du pôle Sud ont pour mission de répondre à l'une des grandes questions en suspens de la physique :la gravité quantique existe-t-elle ? Les capteurs surveillent les neutrinos – des particules sans charge électrique et presque sans masse – arrivant sur Terre depuis l'espace. Une équipe de l'Institut Niels Bohr (NBI), Université de Copenhague, a contribué au développement d'une méthode qui exploite les données sur les neutrinos pour révéler si la gravité quantique existe.
"Si, comme nous le pensons, la gravité quantique existe effectivement, cela contribuera à unir les deux mondes actuels de la physique. Aujourd'hui, la physique classique décrit les phénomènes de notre environnement normal tels que la gravité, tandis que le monde atomique ne peut être décrit qu'à l'aide de la mécanique quantique. .
"L'unification de la théorie quantique et de la gravitation reste l'un des défis les plus importants en physique fondamentale. Ce serait très satisfaisant si nous pouvions contribuer à cet objectif", déclare Tom Stuttard, professeur adjoint au NBI.
Stuttard est co-auteur d'un article publié par la revue Nature Physics . L'article présente les résultats d'une vaste étude menée par l'équipe du NBI et des collègues américains. Plus de 300 000 neutrinos ont été étudiés.
Cependant, ce ne sont pas des neutrinos du type le plus intéressant provenant de sources situées dans l’espace lointain. Les neutrinos étudiés dans cette étude ont été créés dans l'atmosphère terrestre, lorsque des particules de haute énergie venues de l'espace sont entrées en collision avec de l'azote ou d'autres molécules.
"L'examen des neutrinos provenant de l'atmosphère terrestre présente l'avantage pratique qu'ils sont de loin plus courants que leurs frères et sœurs de l'espace. Nous avions besoin de données sur de nombreux neutrinos pour valider notre méthodologie. Cela a été accompli maintenant. Nous sommes donc prêts à entrer dans la prochaine phase dans laquelle nous étudierons les neutrinos de l'espace lointain", explique Stuttard.
L'observatoire de neutrinos IceCube est situé à côté de la station Amundsen-Scott du pôle Sud en Antarctique. Contrairement à la plupart des autres installations d'astronomie et d'astrophysique, IceCube fonctionne mieux pour observer l'espace de l'autre côté de la Terre, c'est-à-dire l'hémisphère Nord. En effet, même si le neutrino est parfaitement capable de pénétrer notre planète – et même son noyau chaud et dense – d'autres particules seront stoppées, et le signal est ainsi beaucoup plus propre pour les neutrinos provenant de l'hémisphère Nord.
L'installation IceCube est exploitée par l'Université du Wisconsin-Madison, aux États-Unis. Plus de 300 scientifiques du monde entier ont participé à la collaboration IceCube. L'Université de Copenhague est l'une des plus de 50 universités dotées d'un centre IceCube pour l'étude des neutrinos.
Puisque le neutrino n'a pas de charge électrique et est presque sans masse, il n'est pas perturbé par les forces électromagnétiques et nucléaires puissantes, ce qui lui permet de parcourir des milliards d'années-lumière à travers l'univers dans son état d'origine.
La question clé est de savoir si les propriétés du neutrino restent en fait complètement inchangées lors de son déplacement sur de grandes distances ou si de minuscules changements sont finalement notables.
"Si le neutrino subit les changements subtils que nous soupçonnons, cela constituerait la première preuve solide de la gravité quantique", explique Stuttard.
Pour comprendre les changements recherchés dans les propriétés des neutrinos, certaines informations de base sont nécessaires. Bien que nous l'appelions une particule, ce que nous observons comme un neutrino est en réalité trois particules produites ensemble, connues en mécanique quantique sous le nom de superposition.
Le neutrino peut avoir trois configurations fondamentales – les saveurs comme les appellent les physiciens – qui sont l'électron, le muon et le tau. Laquelle de ces configurations que nous observons change à mesure que le neutrino se déplace, un phénomène vraiment étrange connu sous le nom d'oscillations des neutrinos. Ce comportement quantique est maintenu sur des milliers de kilomètres ou plus, ce que l'on appelle la cohérence quantique.
"Dans la plupart des expériences, la cohérence est rapidement rompue. Mais on ne pense pas que cela soit dû à la gravité quantique. Il est simplement très difficile de créer des conditions parfaites dans un laboratoire. Vous voulez un vide parfait, mais d'une manière ou d'une autre, quelques molécules parviennent à s'y faufiler. etc.
"En revanche, les neutrinos sont spéciaux dans le sens où ils ne sont tout simplement pas affectés par la matière qui les entoure. Nous savons donc que si la cohérence est rompue, cela ne sera pas dû à des lacunes dans le dispositif expérimental créé par l'homme", explique Stuttard.
Il a été demandé si les résultats de l'étude publiée dans Nature Physics se sont déroulés comme prévu, répond le chercheur :« Nous nous trouvons dans une catégorie rare de projets scientifiques, à savoir les expériences pour lesquelles aucun cadre théorique établi n'existe. Ainsi, nous ne savions tout simplement pas à quoi nous attendre. Cependant, nous savions que nous pouvions rechercher certaines des propriétés générales auxquelles on pourrait s'attendre d'une théorie quantique de la gravité. "
"Bien que nous espérions voir des changements liés à la gravité quantique, le fait que nous ne les ayons pas vus n'exclut pas du tout qu'ils soient réels. Lorsqu'un neutrino atmosphérique est détecté dans l'installation antarctique, il aura généralement traversé la Terre. Cela signifie environ 12 700 km, une distance très courte comparée aux neutrinos provenant de l'univers lointain. Apparemment, une distance beaucoup plus longue est nécessaire pour que la gravité quantique ait un impact, si elle existe », explique Stuttard, soulignant que l'objectif principal. de l'étude était d'établir la méthodologie.
"Pendant des années, de nombreux physiciens ont douté que les expériences puissent un jour espérer tester la gravité quantique. Notre analyse montre que c'est effectivement possible, et avec les futures mesures avec des neutrinos astrophysiques, ainsi que des détecteurs plus précis construits au cours de la décennie à venir, nous espérons pouvoir répondez enfin à cette question fondamentale."
Plus d'informations : Recherche de décohérence à partir de la gravité quantique avec les neutrinos atmosphériques, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02436-w
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université de Copenhague
