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18.11.2013 - Physique

Un pas important pour tester le principe d'équivalence à l'échelle atomique

L'Onera, déjà reconnu comme expert de la mesure macroscopique spatiale du principe d'équivalence (MICROSCOPE) vient de franchir une étape importante en matière de mesure à l'échelle atomique pour mettre à l'épreuve ce fondement de la physique.

Les physiciens de l'Onera ont réussi à réaliser la mesure simultanée – par interférométrie à ondes de matière1 – de l'accélération de deux isotopes de rubidium (85Rb et 87Rb) en chute libre, dont les propriétés sont très voisines mais dotés de compositions atomiques légèrement différentes. Ce résultat a été obtenu assez rapidement et de façon astucieuse, à partir d'un gravimètre embarquable développé auparavant par l'Onera. Cette expérience concluante s'est déroulée dans le cadre de la thèse d'Alexis Bonnin.

Alexis Bonnin, doctorant Onera et gravimètre atomique
Alexis Bonnin, doctorant Onera, branche les derniers lasers du gravimètre pour la mesure comparée des accélérations des atomes froids de rubidium

Cette première mondiale marque une avancée très encourageante dans la perspective d'expériences différentielles dans l'Espace, dédiées à un test du principe d'équivalence2 à l'échelle atomique.

Une expérience de ce type est d'ailleurs prévue dans le cadre du projet ESA STE-QUEST, qui fédère une trentaine de laboratoires européens sur le sujet des relations entre la relativité générale3 et la physique quantique4 (deux théories majeures de la physique en mal d'unification).

Outre des retombées en physique fondamentale, ce succès renforce l'expertise de l'Onera en matière de gravimétrie atomique embarquable, car elle utilise la même technologie à base d'atomes refroidis et de lasers robustes.

 

 Notes 

 
  1. Les interféromètres à ondes de matière ou interféromètres à atomes utilisent le caractère ondulatoire de la matière. Le principe de la dualité onde-corpuscule postule qu’à toute particule massive peut être associée un paquet d’onde (dite onde de de Broglie) qui peut être manipulé de façon similaire aux ondes lumineuses en optique. Par exemple, il est possible de les séparer en deux ou de les faire interférer.
    La tour de Pise des expériences de Galilée et les atomes de Rubidiums
  2. Le principe d’équivalence, postule que la masse soumise à l’inertie est identique à la masse soumise à la gravitation. Principe équivalent à celui de l’universalité de la chute des corps énoncé par Galilée en 1602 : « Tous les corps, la plume comme le plomb, ont même loi de chute. ». Ce principe a jusqu'à maintenant été toujours vérifié. Mais les physiciens traquent de minuscules écarts qui pourraient valider des théories d'unification de la physique, comme la théorie des cordes. 
     
  3. La relativité générale permet de décrire le comportement d'objets lourds - comme des étoiles et des trous noirs - et rapides - vitesses proches de celle de la lumière - et ainsi de traiter de nombreuses questions d’astrophysique et de cosmologie. La relativité générale – théorie de la gravitation – n'a encore jamais été mise en défaut (mais elle pourrait l'être si le principe d'équivalence était violé au cours d'une expérience future).
     
  4. La physique quantique décrit le monde invisible des atomes, électrons et molécules. Elle introduit des notions fondamentales comme la dualité onde-corpuscule, les relations d'incertitude d'Heisenberg ou la fonction d'onde de Schrödinger. Sans  physique quantique, pas de laser ni de transistor ou d'écran plat.