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Martin Perl, prix Nobel, veut détecter l'énergie noire au laboratoire

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Peut-on observer en laboratoire la présence de l'énergie noire accélérant l'expansion de l'univers ? Pour le prix Nobel de physique Martin Perl et ses collègues, cela pourrait être possible grâce aux expériences d'interférométrie atomique.

Le prix Nobel de physique Martin Perl, le découvreur du tauon, cousin lourd de l'électron. © Peter Ginter

Il n'y a guère de doute sur l'accélération de l'expansion de l'espace depuis quelques milliards d'années. Par contre, on ne sait toujours pas comment interpréter la présence de la constante cosmologique responsable de cette accélération. Faut-il en rester à une attitude très conservatrice ne faisant pas intervenir une nouvelle physique, comme c'est le cas dans le cadre du scénario du vide minimal ? Faut-il faire intervenir au contraire de l'énergie noire découlant d'une physique au-delà du modèle standard ?

Pour répondre à cette question, on se tourne généralement vers l'infiniment grand, à des échelles supérieures à celle des amas de galaxies. La présence de l'énergie noire, ses possibles variations dans le temps et l'espace en fonction des théories proposées affectent en effet le rythme d'expansion de l'univers et la formation des amas de galaxies d'une façon déterminée. Il existe cependant dans le cadre de certains modèles d'énergie noire, en particulier celui des particules caméléons, des expériences qui sont réalisables en laboratoire.

Une expansion nulle ou négligeable dans le Système solaire

C'est assez remarquable car l'expansion de l'espace n'est vraiment sensible qu'aux échelles supérieures aux amas de galaxies. On l'a appris en 1945 à la suite de la publication par Einstein et son assistant de l'époque (Ernst Strauss) d'un article contenant ce que l'on peut appeler la métrique de Einstein-Strauss.

Les deux chercheurs y exhibaient une solution des équations d'Einstein décrivant le champ de gravitation d'une étoile ou d'une planète à l'intérieur d'un modèle cosmologique en expansion. Cette solution montrait clairement que ni le Soleil ni le Système solaire ne subissaient les effets de cette expansion. Des calculs plus généraux que cette solution simple à symétrie sphérique, comme ceux de Cooperstock et ses collègues, ont montré par la suite que si on ne pouvait exclure une telle expansion à cette échelle, elle était parfaitement inobservable même sur une échelle de temps de plusieurs milliards d'années.

Comment donc pourrait-on tester des modèles d'énergie noire à des échelles humaines de temps et d'espace ?

La mystérieuse énergie noire composerait plus de 70 % du contenu de l'univers observable. © Nasa CXC M Weiss

Des différences de chemins dans l'espace-temps

Le prix Nobel de physique Martin Perl pense qu'il est possible de relever le défi en utilisant des expériences d'interférométrie atomique et ce d'ici 2014 ! Ces expériences reposent sur l'idée que la valeur de l'énergie noire fluctue constamment dans le vide, bien que de façon très faible. D'une région à l'autre de l'espace, même à notre échelle, ces fluctuations seraient présentes. Si l'on croit que l'énergie noire découle en fait des fluctuations quantiques des champs de matière et de force, cette hypothèse ne semble pas déraisonnable. Si l'énergie noire découle d'un champ de quintessence, on peut espérer que de telles fluctuations existent aussi. Tout le problème est de savoir si elles sont mesurables.

L'idée exposée par Martin Perl est alors la suivante.

On laisse tomber en chute libre des paquets d'ondes de matière associés à des atomes. Sous l'action d'un faisceau laser, le paquet d'ondes correspondant à un atome est séparé en deux, de sorte qu'il existe une superposition de deux états quantiques de mouvement pour un seul atome. En chute libre l'un des deux paquets est freiné par absorption de photons issus d'un laser ; au bout d'un certain temps, et toujours sous l'effet d'un laser, les deux paquets sont recombinés en fin de chute. La situation est alors similaire à celle d'une expérience d'interférométrie dans laquelle deux chemins optiques de longueurs différentes ont été associés à un photon unique. On peut donc obtenir des franges d'interférences.

Si l'on prend deux expériences de ce genre, avec une hauteur et un temps de chute identiques pour des atomes d'un même élément, mais peu séparés dans l'espace à l'intérieur d'un laboratoire, on doit obtenir des résultats identiques dans le champ de gravitation de la Terre.

Mais si de l'énergie noire existe, qu'elle se couple à de la matière et qu'elle fluctue bel et bien, alors une différence de déphasage, indépendante de la gravitation de la Terre va apparaître entre les deux expériences. On aura alors accès directement à l'effet de l'énergie noire, pour autant que d'autres sources de déphasages bien comprises aient pu être soustraites des données de l'expérience. On pourra consulter l'article publié sur arXiv pour plus de détails.

L'un des grands intérêts de cette proposition d'expérience est qu'elle peut se faire sur Terre dans une cloche à vide de 2 mètres de haut tout au plus et avec des ondes de matière associées aux atomes ultrafroids. Une technologie en cours de développement. Elle ne nécessite pas de lancer des instruments dans l'espace comme les missions actuellement à l'étude. 

Toutefois, elle repose sur des hypothèses qui ne vont pas de soi. Espérons que l'univers sera suffisamment enclin à se mettre à notre portée d'ici quelques années avec ce type d'expérience...

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