Des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Institut Paul Scherrer (PSI) préparent une expérience historique pour tester le principe d’équivalence d’Einstein sur une particule de deuxième génération. En produisant un faisceau de muonium froid à l’aide d’hélium superfluide, l’équipe cherche à mesurer l’interaction gravitationnelle de ce système exotique neutre.
La question de savoir si la gravité traite toutes les particules de l’univers de manière strictement identique mobilise la communauté scientifique. Des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Institut Paul Scherrer préparent une démarche expérimentale de pointe pour éprouver ce fondement de la physique moderne à l’aide d’un atome exotique, le muonium.
Le mystère des générations de particules face à la gravité
La matière qui compose les planètes, les étoiles et les êtres humains relève de la première génération de particules, regroupant les protons, les neutrons et les électrons. Pourtant, le modèle standard de la physique des particules intègre deux générations supplémentaires composées de particules plus massives. Le muon s’impose comme le parent lourd de l’électron au sein de cette deuxième génération.
La chercheuse pose également une interrogation centrale : Et pourquoi y en a-t-il trois au total ?
Cette structure énigmatique soulève une autre interrogation fondamentale sur le comportement des masses accrues. Les particules de deuxième et troisième générations réagissent-elles à la force de gravitation exactement de la même manière que la matière ordinaire ?
L’épreuve du principe d’équivalence d’Einstein avec le muonium
Depuis les observations historiques de Galilée et de Newton sur la chute des corps, la physique admet que les objets situés en un même point d’un champ gravitationnel tombent à la même vitesse. Ce constat a nourri le principe d’équivalence d’Albert Einstein, qui relie la masse gravitationnelle à la masse inertielle au cœur de sa théorie de la gravitation.
Jusqu’à présent, cette universalité de la chute libre n’a pu être démontrée qu’avec de la matière ordinaire ou de l’antimatière de première génération. L’équipe germano-suisse s’attaque donc à une première mondiale en visant la deuxième génération grâce au muonium.
Choisir cet atome exotique répond à une exigence technique impérative. Le muonium se forme lorsqu’un antimuon chargé positivement se lie à un électron chargé négativement, engendrant un atome neutre. Cette neutralité s’avère indispensable car la force de gravitation est extrêmement faible face à l’électromagnétisme.
L’exotique muonium est très bien adapté à cela car c’est un atome neutre. Après tout, pour faire tomber quelque chose, il faut quelque chose de neutre. Anna Soter, professeure de physique à l’ETH Zurich et au PSI, via ScienceDaily
L’hélium superfluide et le défi de la brièveté du muon
L’expérimentation se heurte à des obstacles techniques considérables. D’une part, les muons ne survivent que pendant environ 2,2 microsecondes avant de se désintégrer. D’autre part, les méthodes antérieures généraient des atomes de muonium aux trajectoires et vitesses dispersées, ce qui rendait toute mesure gravitationnelle précise illusoire.
Pour contourner cette limite, l’équipe menée au PSI a mis au point une méthode novatrice décrite dans la revue Nature Physics. Les chercheurs ont employé de l’hélium superfluide refroidi à une température proche du zéro absolu, soit moins 273 degrés Celsius.
L’hélium superfluide est ce que l’on appelle un fluide quantique, dans lequel les atomes individuels d’hélium perdent leur identité et qui ne tolère aucune impureté en son sein. Jesse Zhang, auteur principal de l’étude, via Mirage News
En tirant les faisceaux de muons intenses produits par le grand accélérateur du PSI dans ce milieu, les atomes formés convertissent leur potentiel chimique en énergie cinétique à la surface du liquide.
Vers un interféromètre pour capter la déviation gravitationnelle
La production de ce faisceau stable et froid lève le verrou technologique qui bloquait les mesures d’indice de chute libre. Les physiciens construisent à présent un instrument spécifique, un interféromètre, destiné à exploiter la nature ondulatoire des atomes pour déceler la infime variation d’un motif d’interférence sous l’effet de la gravité terrestre.
Une mise en évidence d’un comportement distinct de ce flux par rapport à la matière classique pourrait ébranler le modèle standard de la physique et ouvrir la voie à des hypothèses révolutionnaires, telles que l’existence éventuelle d’une cinquième force fondamentale.