Le mouvement des corps en chute libre est indépendant de leur composition. C'est l'un des fondements du principe d'équivalence d'Einstein (EEP), qui sous-tend notre compréhension moderne de la gravité. Ce principe est cependant constamment examiné. Toute violation de cette norme nous donnerait des indices dans notre recherche de l’énergie noire et de la matière noire, tout en guidant notre compréhension des trous noirs et d’autres systèmes où la gravité et la mécanique quantique se rencontrent.

Des scientifiques américains, français et allemands ont créé un nouveau système pour tester l'EEP : un mélange de deux gaz quantiques ultrafroids en orbite autour de la Terre à bord de la Station spatiale internationale (ISS). Ils ont également présenté le premier interféromètre atomique à double espèce dans l’espace, qu’ils décrivent comme une « étape importante » vers le test de l’EEP. La question à laquelle ils tentent de répondre avec cette expérience est simple : deux atomes de masses différentes tombent-ils à la même vitesse ?

Des atomes froids sur l'ISS

L'ISS abrite le Laboratoire d'atomes froids (CAL), qui est un « terrain de jeu » pour les atomes dans l’espace. Lancé en 2018, il a créé en 2020 le premier condensat de Bose-Einstein (BEC) spatial – un état spécial de la matière obtenu après refroidissement des atomes à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Ce premier gaz quantique était constitué d’atomes de rubidium ultrafroids, mais suite à une mise à niveau en 2021, le CAL héberge également une source micro-ondes permettant de produire des gaz quantiques à partir d’atomes de potassium.

Dans le dernier ouvrage, décrit dans Nature, les scientifiques du CAL ont généré un mélange quantique des deux espèces sur l'ISS. "La génération de ce mélange quantique dans l'espace est une étape importante vers le développement de mesures de haute précision pour tester le principe d'équivalence d'Einstein", déclare Gabriel Muller, doctorant à l'Université Leibniz de Hanovre, en Allemagne, impliqué dans l'expérience.

Pour réaliser ce mélange, l’équipe a confiné les atomes de rubidium dans un piège magnétique et a permis aux atomes « chauds » les plus énergétiques de s’évaporer hors du piège, laissant derrière eux les atomes « froids ». Cela conduit finalement à une transition de phase vers un gaz quantique une fois que les atomes descendent en dessous d’une certaine température critique.

Bien que ce processus fonctionne également pour les atomes de potassium, l’évaporation simultanée des deux espèces dans le même piège n’est pas simple. Comme la structure énergétique interne des atomes de rubidium et de potassium est différente, leurs températures initiales dans le piège varient, tout comme les conditions optimales du piège et le temps d'évaporation nécessaire pour atteindre la température critique. En conséquence, les scientifiques ont dû se tourner vers une solution différente. « Le gaz quantique de potassium n'est pas généré par refroidissement par évaporation, mais plutôt refroidi « par sympathie » par contact thermique direct avec le gaz de rubidium ultra-froid évaporé », explique Müller.

Générer ce gaz quantique dans l’espace a ses mérites, ajoute-t-il. « Sur Terre, il y a un affaissement gravitationnel, ce qui signifie que deux atomes de masses différentes ne seront pas à la même position dans le piège. Dans l’espace, en revanche, l’interaction gravitationnelle est faible et les deux espèces se chevauchent. Cet aspect du travail en microgravité est essentiel pour réaliser des expériences visant à observer les interactions entre les deux espèces qui autrement seraient détournées par les effets de la gravité sur Terre.

Le rôle crucial de l’ingénierie des états quantiques

La production d’un mélange quantique d’atomes de rubidium et de potassium rapproche l’équipe CAL du test de l’EEP, mais d’autres éléments de l’expérience doivent encore être apprivoisés. Par exemple, bien que les deux espèces se chevauchent dans le piège, lorsqu’elles en sont relâchées, leurs positions initiales sont légèrement différentes. Müller explique que cela est dû en partie aux propriétés de chaque espèce atomique conduisant à des dynamiques différentes, mais également au fait que la libération du piège n'est pas instantanée, ce qui signifie que l'une des espèces subit une force magnétique résiduelle par rapport à l'autre. De tels effets systématiques pourraient facilement se présenter comme une violation de l’EEP s’ils ne sont pas pris en compte correctement.

Pour cette raison, les scientifiques se sont concentrés sur la caractérisation de la systématique de leur piège et sur la réduction des bruits indésirables. "Il s'agit d'un travail en cours à Hanovre, visant à créer des états d'entrée bien conçus pour les deux espèces, ce qui sera crucial car vous avez besoin de conditions initiales similaires avant de démarrer l'interféromètre", explique Müller. Une solution au problème de la position initiale, ajoute-t-il, serait de transporter lentement les deux espèces vers une seule position avant d'éteindre le piège magnétique. Bien que cela puisse être réalisé avec une grande précision, cela se fait au détriment du réchauffement des atomes et de la perte d’une partie d’entre eux. Les scientifiques espèrent donc utiliser l’apprentissage automatique pour optimiser le mécanisme de transport et ainsi parvenir à un contrôle similaire de la dynamique atomique, mais beaucoup plus rapide.

Interféromètre atomique à deux espèces dans l'espace

Une fois ces problèmes résolus, l’étape suivante consisterait à effectuer un test EEP en utilisant l’interférométrie atomique à deux espèces. Il s’agit d’utiliser des impulsions lumineuses pour créer une superposition cohérente des deux nuages ​​d’atomes ultrafroids, puis de les recombiner et de les laisser interférer après un certain temps d’évolution libre. Le modèle d'interférence contient des informations précieuses sur l'accélération du mélange, à partir desquelles les scientifiques peuvent déterminer si les deux espèces ont subi la même accélération gravitationnelle.

Un facteur limitant de cette technique est la façon dont les positions du faisceau laser et de l’échantillon atomique se chevauchent. «C'est la partie la plus délicate», souligne Müller. L’un des problèmes est que les vibrations sur l’ISS font vibrer le système laser, introduisant ainsi un bruit de phase dans le système. Un autre problème est que la structure différente de la masse et du niveau d’énergie atomique des deux espèces les amène à réagir différemment au bruit vibratoire, produisant un déphasage entre les deux interféromètres atomiques.

Dans leurs derniers travaux, les scientifiques ont démontré une interférométrie atomique simultanée du mélange et mesuré une phase relative entre le motif d'interférence des atomes de rubidium et de potassium. Cependant, ils sont bien conscients qu’une telle phase est probablement due aux sources de bruit auxquelles ils s’attaquent, plutôt qu’à une violation du PPE.

Missions futures

Un nouveau module scientifique a été lancé sur l'ISS dans le but d'augmenter le nombre d'atomes, d'améliorer les sources laser et de mettre en œuvre de nouveaux algorithmes dans la séquence expérimentale. Mais fondamentalement, les scientifiques du CAL s’efforcent de démontrer une précision de mesure inertielle qui va au-delà de l’état actuel de la technique. "De telles réalisations constituent des étapes importantes vers de futures missions satellitaires testant l'universalité de la chute libre à des niveaux sans précédent", déclare le chercheur de Hanovre. Naceur Gaaloul, co-auteur de l'article récent.

Un exemple mentionné par Gaaloul est la proposition STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), qui serait sensible à des différences d'accélération d'aussi peu que 10.^-17 m / s². Cette précision équivaut à laisser tomber une pomme et une orange et à mesurer, au bout d'une seconde, la différence de leur position à l'intérieur du rayon d'un proton. L’espace est notoirement difficile, mais l’interférométrie atomique dans l’espace est encore plus difficile.

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• La source: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/