Le but de cette grosse boîte bourrée des technologies les plus avancées est de refroidir un gaz de rubidium et de potassium par de multiples étapes et de profiter de la microgravité de l'ISS pour gagner un niveau de refroidissement supplémentaire.
Pour refroidir un gaz, il faut ralentir ses atomes. La première étape de CAL consiste à pointer de multiples faisceaux laser dans la cavité contenant les atomes de rubidium ou de potassium, ce qui permet de les ralentir fortement et de les piéger pour atteindre une température de l'ordre de 100 microKelvin. Une deuxième étape, appelée 'refroidissement par évaporation', va utiliser l'application de radiofréquences, qui vont exciter les atomes les plus énergétiques et les sortir du piège à atomes froids. La température atteindra alors moins de 1 microKelvin.
La troisième étape consiste en une expansion adiabatique : le gaz est maintenu sous une certaine pression par l'application de champs magnétiques particuliers puis ces champs magnétiques sont brutalement coupés, ce qui provoque une expansion rapide du gaz et une baisse de température importante. Lorsque ces trois étapes sont réalisées en laboratoire sur Terre, une température de l'ordre du nanoKelvin peut être espérée, mais en situation de microgravité, où les atomes ne subissent plus la force d'attraction terrestre, toutes ces étapes sont rendues beaucoup plus efficaces et c'est une température de l'ordre de quelques dizaines de picoKelvins (10-12 K) qui devrait pouvoir être atteinte.
Les physiciens du Jet Propulsion Laboratory (NASA) qui mènent le projet CAL souhaitent fournir aux physiciens un outil à même d'étudier la matière dans des états étranges quasi jamais vu expérimentalement.
En dessous du nanoKelvin, les atomes de gaz vont commencer à former ce qu'on appelle un Condensat de Bose-Einstein (CBE ). Il s'agit d'une sorte de superfluide sans aucune viscosité. Alors que les fermions (de spin demi-entier) sont des particules qui ne peuvent pas occuper le même état quantique et suivent donc le principe d'exclusion de Pauli, les bosons, eux, suivent la statistique de Bose-Einstein et peuvent tous occuper le même état quantique. Les particules de type boson (de spin entier) peuvent alors avoir un comportement macroscopique quantique . Le CBE apparaît lorsque la température tombe en dessous d'une valeur critique. D'après la théorie, les mouvements individuels des atomes sont alors si lents que les particules ne doivent plus se comporter comme des particules, mais comme des ondes. Les atomes du gaz forment alors ensemble un système d'ondes de matière.
Un tel condensat de Bose-Einstein a déjà pu être observé en laboratoire, mais seulement brièvement, la gravité brisant le condensat en faisant tomber les atomes. L'intérêt de faire ce type d'expérience dans l'espace est donc grand. Les physiciens estiment qu'ils pourront observer des condensats de Bose-Einstein durant 5 à 10 secondes d'affilée avec CAL et peut-être 100 secondes avec une version ultérieure améliorée. Ce n'est pas un hasard si parmi les cinq équipes scientifiques qui utiliseront CAL dès son installation, on trouve l'équipe de Eric Cornell (Université du Colorado), prix Nobel, qui a créé le premier CBE en 1995.
Et au-delà de l'étude des condensats de Bose-Einstein, les atomes ultra-froids de CAL offriront également la possibilité de faire de l'interférométrie atomique, une méthode qui est utilisée pour rechercher un certain type d'énergie noire, sous la forme d'une cinquième force...
Lancement planifié pour 1er août à bord du module de ravitaillement pressurisé CRS-12 de SpaceX, pour une durée d'exploitation nominale de 3 ans dans l'ISS.
Référence
Illustrations
1) Vue d'artiste du principe de refroidissement par étapes de CAL (NASA)
2) Schéma éclaté du Cold Atom Laboratory (NASA/JPL)
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