Une vue d'artiste de l'expérience CAL à bord de l'ISS. Des atomes y seront refroidis avec des faisceaux lasers. © Nasa

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Le point le plus froid de l'univers sera à bord de l'ISS

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Une expérience, qui partira bientôt pour l'ISS, devrait permettre d'atteindre un nouveau record dans le domaine des basses températures avec des condensats de Bose-Einstein. Peut-être donnera-t-elle accès à une nouvelle physique ?

Le Cold Atom Laboratory (CAL), un ensemble d'instruments destinés à produire des atomes ultrafroids et surtout des condensats de Bose-Einstein aurait dû se trouver à bord de l'ISS en 2016 (voir l'article plus bas). Mais la Nasa vient de faire savoir que l'expérience développée par le JPL de Pasadena ne s'envolera pour la Station spatiale internationale qu'en août 2017. C'est la société SpaceX d'Elon Musk qui est chargée de son transfert dans l'espace via son cargo SpaceX CRS-12.

Comme nous l'expliquions en détail (voir aussi la vidéo ci-dessous), l'objectif principal est de créer dans l'espace le phénomène de condensation d'un gaz quantique prédit au cours des années 1920 par Albert Einstein à partir des travaux de son collègue, le physicien indien Satyendranath Bose.

 Qu'est-ce qu'une condensation de Bose-Einstein ? © Vulgarisation, YouTube

Un milliardième de kelvin au-dessus du zéro absolu

Ce phénomène a été obtenu sur Terre la première fois avec un gaz d'atomes en 1995 par une équipe du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman comme l'a montré un troisième chercheur, Wolfgang Ketterle. Pour cet exploit inédit, les trois hommes ont reçu en 2001 le prix Nobel de physique. Depuis, l'étude de divers condensats de Bose-Einstein (BEC) a été activement poursuivie en raison des fenêtres qu'ils ouvrent sur le monde quantique, en particulier avec le phénomène d'interférence des ondes de matière atomique. Il est possible alors d'avoir des franges d'interférences avec des atomes entiers comme s'ils étaient des photons ou des électrons dans des expériences du type de celle décrite par Richard Feynman dans son cours de physique quantique.

Dans le cas des expériences qui vont être conduites avec CAL, le but est d'obtenir, grâce à la micropesanteur, les BEC les plus froids jamais réalisés. Il est prévu d'atteindre le milliardième de kelvin au-dessus du zéro absolu. De plus, ces condensats résisteront plus longtemps. Au lieu de quelques fractions de seconde, comme dans les expériences actuelles, les BEC en micropesanteur devraient pouvoir être observés durant 5 à 10 secondes et, dans un futur proche, peut-être jusqu'à plusieurs minutes.

Une présentation des condensats de Bose-Einstein et des expériences qui seront menées avec eux à bord de l'ISS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Science@NASA, YouTube

Cinq équipes de chercheurs ont obtenu du temps pour faire des expériences avec CAL, dont une qui a pour membre Eric Cornell. Les résultats de leurs recherches pourraient potentiellement conduire à des bonds technologiques dans le domaine des capteurs, des ordinateurs quantiques et des horloges atomiques.

Les résultats les plus fascinants concerneraient surtout de la nouvelle physique. Des expériences précises d'interférométrie atomique pourraient permettre par exemple de détecter directement de l'énergie noire et même d'en préciser la nature, comme l'a proposé le prix Nobel de physique Martin Perl. La théorie des champs de caméléons pourrait aussi être vérifiée.

Pour en savoir plus

Des BEC dans l'ISS pour battre le record des plus basses températures

Article de Laurent Sacco publié le 05/02/2014

La Nasa finance plusieurs expériences avec des atomes ultrafroids qui prendront place à bord de l'ISS en 2016. Il s'agira de produire dans des conditions de microgravité les fameux condensats de Bose-Einstein. Ces condensats pourraient révéler de nouveaux phénomènes quantiques, mais on attend surtout d'eux qu'ils servent à créer des technologies pour réaliser des mesures physiques de temps et d'accélération plus précises. En tout état de cause, on devrait pouvoir se rapprocher encore plus du zéro absolu lors de ces expériences.

En cherchant à comprendre les lois décrivant le spectre du rayonnement émis par un corps chaud, par exemple de la lave, Planck et Einstein ont pavé la voie conduisant à la découverte de la statistique de Bose-Einstein pour les photons et à celle des ondes de matière par Louis de Broglie. En 1925, en explorant les conséquences pour un gaz de particules de matière de la nouvelle statistique découverte par Bose pour décrire un gaz de photons, Einstein prédit théoriquement le phénomène aujourd'hui connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein (Bose-Einstein Condensate ou BEC en anglais).

La formation d'un condensat de Bose-Einstein, avec presque un million d'atomes de sodium, lors d'une expérience au MIT en 1995. En dessous d'une température critique Tc, les atomes se rassemblent dans un seul état quantique, comme l'indiquent les pics. © MIT, Wolfgang Ketterle

Il a fallu attendre 1995 pour que deux équipes de chercheurs réussissent à produire le premier BEC. Ils ont pour cela utilisé des atomes ultrafroids. Eric Cornell et Carl Wieman, de l'université du Colorado, sont parvenus à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einstein constitué de quelques milliers d'atomes de rubidium. Pour cela, ils ont abaissé une première fois leur température à l'aide d'un laser, puis se sont approchés encore plus du zéro absolu en laissant s'évaporer une partie du gaz dilué d'atomes froids contenu dans un piège magnétique. Indépendamment, Wolfgang Ketterle devait obtenir des résultats similaires avec son groupe de recherche au MIT. Les trois chercheurs se sont partagé le prix Nobel de physique en 2001 pour ces accomplissements.

Des atomes ultrafroids pour tester la relativité générale

Depuis lors, les BEC passionnent les chercheurs du monde entier, d'abord parce qu'ils permettent d'explorer de nouveaux territoires concernant les propriétés quantiques des particules, mais aussi parce qu'ils permettent la réalisation de lasers à atomes. Ceux-ci permettent de surpasser les performances atteintes avec les lasers à photons dans plusieurs domaines, comme la réalisation d'horloges atomiques et d'accéléromètres encore plus précis. Or, des progrès dans des mesures de temps et d'accélération ouvrent la porte à des tests susceptibles de révéler de la nouvelle physique, par exemple avec la gravitation.

Lorsqu'on refroidit suffisamment un gaz d'atomes, la taille des paquets d'ondes de matière associés à ces atomes augmente. On peut l'estimer avec ce qu'on appelle la longueur d'onde de de Broglie (λdB), qui décroît comme l'inverse de la racine carrée de la température. Il arrive un moment où la taille de ces paquets devient de l'ordre de la distance séparant les particules du gaz. Il se produit alors le phénomène de condensation de Bose-Einstein. Les paquets d'ondes se rassemblent en un seul état quantique, une seule onde de matière géante. © Wolfgang Ketterle, MIT

Condensat de Bose-Einstein et micropesanteur

La Nasa ne s'y est pas trompée. Elle vient d'ailleurs d'annoncer qu'elle allait financer plusieurs projets de recherche sur les BEC à bord de l'ISS dans le cadre de son programme Cold Atom Lab (CAL). Si tout va bien, un module permettant de réaliser des expériences avec des atomes ultrafroids et de produire des BEC partira pour l'espace en 2016. L'un des avantages des expériences en microgravité est qu'il est possible de descendre encore plus bas en température en laissant des atomes ultrafroids s'évaporer dans un piège magnétique. Les chercheurs envisagent en outre de battre un record dans le domaine de la physique des basses températures en atteignant 100 picokelvins, c'est-à-dire une température de l'ordre du dix milliardième de kelvin.

Sauf dans un éventuel laboratoire extraterrestre quelque part dans l'univers observable, le BEC à bord de l'ISS sera alors le point le plus froid du cosmos. En effet, le rayonnement fossile est à une température de 2,7 K.

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