De nouvelles recherches suggèrent un moyen de capturer la particule la plus recherchée par les physiciens : les gravitons

Une équipe dirigée par le professeur Igor Pikovski de Stevens vient de montrer comment détecter des gravitons uniques, considérés comme les éléments constitutifs quantiques de la gravité. Selon eux, rendre cette expérience réelle devrait être possible grâce à la technologie quantique dans un avenir proche.

« Il s’agit d’une expérience fondamentale qui a longtemps été considérée comme impossible, mais nous pensons avoir trouvé un moyen de la réaliser », explique Igor Pikovski, professeur de physique à Stevens, également affilié à l’Université de Stockholm.

Pikovski a dirigé une équipe composée de Germain Tobar, Thomas Beitel, étudiants de première année de troisième cycle, et de Sreenath Manikandan, chercheur postdoctoral. Leurs résultats sur la « détection de gravitons uniques par détection quantique » ont été publiés dans Nature Communications.

Des particules insaisissables qui construisent le tissu cosmique

La gravité fonctionne, tout simplement. Les objets tombent, les planètes gravitent autour d’elles. Il y a plus de cent ans, Einstein a révolutionné notre compréhension de la gravité en l’expliquant par des changements dans l’espace et le temps. De nombreux effets de la gravité jusqu’alors inimaginables ont désormais été confirmés : dilatation du temps, ondes gravitationnelles ou trous noirs.

Mais la gravité a une autre particularité : nous n’avons jusqu’à présent vu que sa version « classique », alors que toutes les autres forces sont expliquées par la théorie quantique. L’un des saints Graals de la physique a longtemps été de relier la gravité à la mécanique quantique, mais ce problème reste entier. Dans toute théorie quantique de la gravité, nous nous attendons à ce que certaines particules uniques et indivisibles apparaissent.

Les physiciens ont baptisé ces particules insaisissables gravitons. Il faut les considérer comme des éléments constitutifs de la gravité, tout comme les atomes sont les éléments constitutifs de la matière. En théorie, les ondes gravitationnelles qui traversent fréquemment la Terre à la suite d’événements cosmiques colossaux comme les collisions de trous noirs sont constituées d’un nombre considérable de ces gravitons.

Des détecteurs impressionnants comme LIGO peuvent désormais confirmer l’existence de telles ondes gravitationnelles. Pourtant, aucun graviton n’a jamais été détecté dans l’histoire ; l’idée même d’en repérer un a longtemps été considérée comme impossible.

Mais cela vient peut-être de changer.

L’équipe de Pikovski a proposé une solution qui consiste à coupler la technologie de détection physique existante (un résonateur acoustique, essentiellement un cylindre lourd) et à l’équiper de méthodes améliorées de détection de l’état énergétique (également appelées détection quantique).

« Notre solution est similaire à l’effet photoélectrique qui a conduit Einstein à la théorie quantique de la lumière », explique Pikovski, « mais les ondes gravitationnelles remplacent les ondes électromagnétiques. L’essentiel est que l’énergie est échangée entre la matière et les ondes uniquement par étapes discrètes : des gravitons individuels sont absorbés et émis. »

Mais comment les détecter ?

« Nous devons refroidir le matériau, puis surveiller la façon dont l’énergie change en une seule étape, et cela peut être réalisé grâce à la détection quantique », explique Manikandan, chercheur postdoctoral à l’Institut nordique de physique théorique de Stockholm.

« En observant ces sauts quantiques dans la matière, nous pouvons déduire qu’un graviton a été absorbé », ajoute Tobar, aujourd’hui étudiant diplômé à l’Université de Stockholm. « Nous appelons cela l’effet gravito-phononique. »

L’une des innovations proposées par l’équipe est d’utiliser les données disponibles du LIGO, un observatoire américain composé de deux installations qui a récemment confirmé l’existence des ondes gravitationnelles.

« Les observatoires LIGO sont très efficaces pour détecter les ondes gravitationnelles, mais ils ne peuvent pas détecter les gravitons isolés », note Beitel, doctorant à Stevens. « Mais nous pouvons utiliser leurs données pour établir une corrélation croisée avec notre détecteur proposé afin d’isoler des gravitons isolés. »

Collisions cosmiques, cylindres lourds, capteurs quantiques

Comment l’équipe de Pikovski a-t-elle conçu cette expérience ingénieuse ? Beaucoup de mathématiques et de créativité, ainsi que l’aide précieuse des récentes avancées technologiques.

« De nombreux physiciens ont réfléchi à cette question au fil des ans, mais la réponse était toujours la même : c’est impossible », explique Pikovski. « Il était impossible d’imaginer des expériences quantiques allant au-delà de quelques atomes, et elles n’interagissent pratiquement pas avec les gravitons. »

Mais la donne a changé : les scientifiques ont récemment commencé à créer et à observer des effets quantiques dans des objets macroscopiques. Pikovski a réalisé que ces objets quantiques macroscopiques sont idéaux pour observer les signatures gravitationnelles individuelles : ils interagissent beaucoup plus fortement avec la gravité, et nous pouvons détecter comment ces objets absorbent et émettent de l’énergie par étapes discrètes.

L’équipe a commencé à réfléchir à une expérience possible. En utilisant des données d’ondes gravitationnelles déjà mesurées sur Terre, comme celles qui sont arrivées en 2017 à la suite d’une collision de deux étoiles à neutrons lointaines de la taille de Manhattan (mais super denses), ils ont calculé les paramètres qui optimiseraient la probabilité d’absorption d’un seul graviton.

« Il s’avère que cette mesure peut être effectuée », explique Manikandan, « par exemple, en utilisant un appareil similaire à la barre Weber. »

Les barres Weber sont des barres cylindriques épaisses et lourdes (jusqu’à une tonne) qui doivent leur nom à leur inventeur, Joseph Weber, originaire du New Jersey. Ces barres sont tombées en désuétude récemment en raison de la prolifération des technologies de détection optique, mais elles seraient en fait très utiles pour une expédition de recherche de gravitons menée par un physicien.

C’est parce qu’ils peuvent absorber et émettre des gravitons, en analogie directe avec ce qu’Einstein a appelé « l’émission et l’absorption stimulées » des photons, les plus petits éléments constitutifs de la lumière.

Un détecteur quantique nouvellement conçu serait refroidi à son énergie la plus basse, puis mis en vibration très légère par le passage d’une onde gravitationnelle. Des capteurs d’énergie ultra-sensibles pourraient alors théoriquement capturer la manière dont ces vibrations évoluent par paliers discrets. Chaque changement discret (également appelé saut quantique) indiquerait un événement gravitationnel unique.

Bien sûr, il y a un hic avec la capture des gravitons : la technologie de détection nécessaire n’existe pas encore.

« Des sauts quantiques ont été observés récemment dans les matériaux, mais pas encore dans les quantités dont nous avons besoin », souligne Tobar. « Mais la technologie progresse très rapidement et nous avons de plus en plus d’idées pour faciliter la tâche. »

« Nous sommes certains que cette expérience fonctionnerait », s’enthousiasme Thomas. « Maintenant que nous savons que les gravitons peuvent être détectés, cela nous motive davantage à développer davantage la technologie de détection quantique appropriée. Avec un peu de chance, on pourra bientôt capturer des gravitons isolés. »

Mais si les nouvelles technologies quantiques sont cruciales, l’inspiration pour ce résultat est venue d’ailleurs. « Nous savons que la gravitation quantique n’est pas encore résolue et qu’il est trop difficile de la tester dans toute sa splendeur », explique Pikovski, « mais nous pouvons désormais faire les premiers pas, tout comme les scientifiques l’ont fait il y a plus de cent ans avec les quanta de lumière. »