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Des pièges à ions pour tester la théorie des cordes ?

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Un groupe de chercheurs américains vient de battre le record de sensibilité pour la mesure d'une force par un dispositif physique : 174 yoctonewtons seulement... La prouesse a été réalisée grâce à un piège de Penning. De quoi explorer de nouveaux phénomènes physique et, peut-être, démontrer la théorie des cordes.

Le shéma d'un piège de Penning. L'ion chargé positivement (en rouge) se trouve confiné et piégé par les champs électrique E et magnétique B. Crédit : Licence Commons

Avec le développement de la théorie atomique au début du XXe siècle, les physiciens ont cherché à observer un petit nombre d'atomes isolés pour en étudier les propriétés. Ces travaux ont abouti à la création des pièges à ions. Les plus célèbres sont ceux du prix Nobel de physique Wolfgang Paul et celui de Frans Michel Penning, véritablement développé par un autre prix Nobel de physique, Hans Georg Dehmelt.

Des pièges à ions sont toujours très utilisés de nos jours, par exemple pour stocker des antiprotons au Cern ou démontrer la réalité du Zitterbewegung de Schrödinger. On s'en est servi aussi pour mesurer précisément la masse de certaines particule. Ils reçoivent actuellement un second souffle dans des expériences de refroidissement atomique dans le domaine de l'information quantique et des ordinateurs quantiques.

Dans un piège de Penning, les ions sont confinés dans deux dimensions par un fort champ magnétique, et dans la troisième dimension par un faible champ électrostatique. Dans l'expérience montée par Michael Biercuk et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST), environ 60 ions de béryllium ont été alignés à l'intérieur d'un tel piège et refroidis pour limiter au maximum les mouvements désordonnés liés au bruit thermique.

Presque nuls, les mouvements résiduels des ions causés par des forces externes peuvent être mesurés par effet Doppler-Fizeau. Il suffit pour cela d'envoyer sur les ions des rayons laser. En mesurant les décalages Doppler causés par les accélérations des ions, il est possible de remonter à la valeur des forces qui agissent sur eux.

C'est de cette manière que le groupe de chercheurs américains, qui vient de détailler l'expérience dans un article publié sur arXiv, est parvenu à mesurer des forces aussi faibles que 174 yoctonewtons, soit 174 x 10-24 newton. La performance est intéressante en particulier pour la physique fondamentale.

En effet, depuis 1998, les physiciens des particules savent que si les dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des cordes sont plus grandes que ce que l'on croyait, il apparaît des modifications de la loi de Newton à très petite distance. En mesurant finement les écarts observés avec les prédictions théoriques classiques des forces d'attraction entre deux petits objets à très courtes distances, on pourrait peut-être démontrer que la classe de théories de cordes imposant des dimensions supplémentaires larges est bien la solution que la Nature a choisie pour construire notre Univers.

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