21/04/2014

Des neutrons ultra-froids testent la gravitation, l'énergie noire, et la matière noire

Une équipe de chercheurs menée par le physicien autrichien Thomas Jenke, de l'université technique de Vienne, vient de réussir une prouesse en développant une toute nouvelle technique expérimentale. Cette technique porte désormais le doux nom de Spectroscopie de Résonance Gravitationnelle. Ils sont ainsi parvenu à poser de nouvelles contraintes à la fois sur l'énergie noire et sur une certaine hypothèse de matière noire. Cela mérite quelques explications...



Les chercheurs ont exploité des neutrons ultra-froids (c'est à dire de très basse énergie cinétique) pour regarder de très près comment ils se comportent dans le champ gravitationnel terrestre et tester la loi de Newton et d'éventuelles anomalies à très petite échelle.
Le coeur du réacteur à Haut Flux de l'ILL (Institut Laue Langevin)
La fonction d'onde quantique d'une particule située dans un potentiel linéaire, par exemple le champ gravitationnel proche de la surface terrestre, possède un spectre en énergie continu. Mais lorsque cette particule, comme un neutron, voit son mouvement contraint par deux murs de potentiel, son spectre en énergie devient discontinu : il apparaît des niveaux d'énergie discrets, quantifiés.
C'est cet effet qu'ont voulu observer Jenke et ses collègues, et ils y sont parvenus.
Pour créer deux murs de potentiel gravitationnel, ils ont utilisé deux miroirs entre lesquels ils ont donc fait passer un faisceau de neutrons de très basse énergie, dans une installation expérimentale développée auprès du réacteur à haut flux (HFR) de l'Institut Laue Langevin (ILL) de Grenoble.
Le but est de mesurer la différence d'énergie infime qui sépare deux niveaux quantiques d'énergie gravitationnelle. Pour mesurer cela, il faut modifier la distance des murs de potentiel, donc la distance des deux miroirs. Un miroir est donc fixé et le second subit des oscillations très rapides avec un mouvement nanométrique. L'oscillation de la distance entre les miroirs induit une oscillation des neutrons entre deux niveaux d'énergie gravitationnelle. Mais pas avec n'importe quelle oscillation des miroirs : il faut que la fréquence du mouvement ait une certaine valeur, correspondant à l'écart entre les niveaux quantiques énergétiques, ce qu'on appelle le phénomène de résonance. Et lorsque ce saut en énergie gravitationnelle a lieu, le nombre de neutrons sortant de la cavité d'expérience se trouve réduit par rapport au cas où la fréquence et quelconque et ne coïncide pas avec un des différents niveaux d'énergie gravitationnelle.

Il suffit alors de "simplement" mesurer le nombre de neutrons transmis à travers la cavité en fonction de la fréquence d'oscillation du miroir mobile et le tracé de cette courbe de transmission montre alors des creux à certaines fréquences, les fréquences de résonance, qui correspondent aux différents niveaux d'énergie gravitationnelle.
Grâce à cette méthode très innovante, les physiciens autrichiens ont réussi à mesurer quatre niveaux d'énergie gravitationnelle pour leurs neutrons. Et cette mesure leur permet de tester la validité des bonnes vieilles équations de Newton, mais jusqu'à des échelles très petites, de l'ordre de quelques microns seulement. 
C'est une première puisque la gravitation n'avait encore jamais été testée à des échelles aussi petites. 
Principe de la technique de spectroscopie de résonance gravitationnelle (à gauche). Un neutron ultrafroid (UCN) entre dans une cavité de deux miroirs produisant une discrétisation de ces niveaux d'énergie gravitationnelle (à droite) (APS/Alan Stonebraker)
Et cette très belle mesure, dont les résultats viennent d'être publiés dans Physical Review Letters, permet quelques implications en cosmologie, et oui! à la fois sur l'énergie noire et la matière noire, ce qui la rend encore plus intéressante.
Il se trouve que certains modèles théoriques cherchant à expliquer l'énergie noire proposent un scénario dans lequel existe un nouveau champ scalaire, et ce champ scalaire devrait modifier légèrement les niveaux d'énergie gravitationnelles des neutrons dans ce type d'expérience. Or comme les niveaux d'énergie mesurés par l'équipe de Jenke sont exactement ceux prédits par la théorie classique, le scénario d'énergie noire en question peut donc être très contraint par ces nouvelles mesures.

Quant aux implications sur la matière noire, elles concernent une hypothèse de matière noire que nous avons déjà évoquée ici, à savoir des particules qu'on appelle des axions. Les axions doivent produire un couplage entre le spin des neutrons et leur position, ce qui induit là encore théoriquement une modification des niveaux d'énergie gravitationnelle dans la cavité. Pour évaluer ce phénomène potentiel, il fallait donc polariser les neutrons avant leur entrée dans la cavité et refaire la mesure, puis comparer avec une mesure sans polarisation. Rien de plus simple : pour polariser, c'est à dire aligner le spin de tous les neutrons du faisceau, il faut appliquer un champ magnétique linéaire. Un aimant fait l'affaire. Le résultat obtenu par l'équipe autrichienne est sans équivoque : il rejette certains types de couplages d'axions, ou au moins apporte des nouvelles contraintes, ce qui permet de fixer un peu plus les contours du modèle théorique des axions.

Cette belle expérience fondant une toute nouvelle méthode, que les auteurs ont nommée spectroscopie de résonance gravitationnelle a utilisé des neutrons ultra froids, très utiles grâce à leurs propriétés physiques unique : neutralité électrique et spin demi-entier, ce qui les rend sensibles uniquement à la gravitation et aux champs magnétiques (j'exclue ici les réactions nucléaires). Le réacteur expérimental à haut flux de l'ILL de Grenoble, qui existe depuis 1971 est la source de neutrons la plus efficace en Europe, voire dans le monde, pour parfaire ce type de science avec des neutrons.  Y étudier des implications cosmologiques comme l'énergie noire et la matière noire est tout à fait inédit et promet de futures explorations neutroniques toujours plus fructueuses.


Source : 
Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
T. Jenke et al.
Phys. Rev. Lett. 112, 151105 (16 avril 2014)