Einstein rencontre la mécanique quantique dans la glace de l’Antarctique | Dmshaulers

Les recherches menées au pôle Sud ont étudié la mystérieuse structure quantique de l’espace et du temps.

La théorie de la relativité générale d’Einstein explique que la gravité est causée par une courbure des directions de l’espace et du temps. La manifestation la plus familière de ce phénomène est la gravité terrestre, qui nous maintient au sol et explique pourquoi les balles tombent au sol et pourquoi les individus ont du poids lorsqu’ils montent sur une balance.

En physique des hautes énergies, en revanche, les chercheurs étudient de minuscules objets invisibles qui obéissent aux lois de la mécanique quantique, caractérisés par des fluctuations aléatoires qui créent une incertitude sur les positions et les énergies des particules telles que les électrons, les protons et les neutrons. Comprendre le caractère aléatoire de la mécanique quantique est nécessaire pour expliquer le comportement de la matière et de la lumière à l’échelle subatomique.

À la poursuite de la gravité quantique

Depuis des décennies, les scientifiques tentent de combiner ces deux domaines d’étude pour parvenir à une description quantique de la gravité. Cela combinerait la physique des courbures associée à la relativité générale avec les mystérieuses fluctuations aléatoires associées à la mécanique quantique.

Une nouvelle étude dans Physique naturelle des physiciens de l’Université du Texas à Arlington rapportent une nouvelle sonde approfondie sur l’interface entre ces deux théories, utilisant des particules de neutrinos à ultra haute énergie détectées par un détecteur de particules installé profondément dans le glacier de l’Antarctique au pôle Sud.

Enfin, le DOM descend dans le tableau où il peut commencer à prendre des données. Crédit : Mark Krasberg, IceCube/NSF

Efforts expérimentaux en Antarctique

“Le défi de concilier la mécanique quantique avec la théorie de la gravité reste l’un des problèmes non résolus les plus urgents en physique”, a déclaré le co-auteur Benjamin Jones, professeur agrégé de physique. “Si le champ gravitationnel se comporte de la même manière que les autres champs naturels, sa courbure devrait présenter des fluctuations quantiques aléatoires.”

Jones et Akshima Negi et Grant Parker, étudiants diplômés de l’UTA, faisaient partie d’une équipe internationale de collaboration IceCube qui comprenait plus de 300 scientifiques de partout aux États-Unis, ainsi que d’Australie, de Belgique, du Canada, du Danemark, d’Allemagne, d’Italie, du Japon, de Nouvelle-Zélande, Corée, Suède, Suisse, Taiwan et Grande-Bretagne.

Benjamin Jones, professeur agrégé de physique à l’Université du Texas à Arlington. Crédit : UT Arlington

Pour rechercher des signatures de gravité quantique, l’équipe a placé des milliers de capteurs sur un kilomètre carré près du pôle Sud en Antarctique, surveillant les neutrinos, des particules subatomiques inhabituelles mais abondantes, de charge neutre et sans masse. L’équipe a pu étudier plus de 300 000 neutrinos. Ils ont cherché à voir si ces particules à très haute énergie étaient gênées par des fluctuations quantiques aléatoires dans l’espace-temps, ce à quoi on pourrait s’attendre si la gravité était mécanique quantique, lorsqu’elles parcourent de longues distances à travers la Terre.

Résultats des observations de neutrinos

“Nous avons recherché ces fluctuations en étudiant la saveur des neutrinos détectés par l’observatoire IceCube”, a déclaré Negi. “Notre travail a abouti à une mesure beaucoup plus sensible qu’auparavant (plus d’un million de fois plus, pour certains modèles), mais elle n’a pas trouvé de preuve des effets attendus de la gravité quantique.”

Cette non-observation de la géométrie quantique de l’espace-temps est une déclaration puissante sur la physique encore inconnue opérant à l’interface entre la physique quantique et la relativité générale.

“Cette analyse représente le dernier chapitre de la contribution de l’UTA à l’Observatoire IceCube, qui dure depuis près d’une décennie”, a déclaré Jones. “Mon groupe poursuit actuellement de nouvelles expériences visant à comprendre l’origine et la valeur de la masse des neutrinos en utilisant des techniques de physique atomique, moléculaire et optique.”

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Neutrinos Whisper Quantum Gravity Secrets From the South Pole.

Référence : « Recherche de décohérence à partir de la gravité quantique avec des neutrinos atmosphériques » par The IceCube Collaboration, 26 mars 2024, Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-024-02436-w