La gravité est-elle la même pour tout le monde ?

Voici une idée qui donne le vertige : si tu lâches une boule de bowling et une plume dans le vide, elles touchent le sol exactement au même moment. Galilée l'a compris il y a des siècles. Einstein a construit toute sa théorie de la gravité autour de cette idée. Il l'appelait le principe d'équivalence. C'est le pilier de notre compréhension de l'univers.

Mais voilà le problème : on n'a jamais testé ce principe qu'avec la matière "classique". Proton, neutron, elektron. Tout ce qu'on peut voir et toucher.

Et les autres ? Ces particules lourdes et mystérieuses qui existent dans la nature ? Est-ce qu'elles tombent pareil ?

C'est exactement ce qu'une équipe de l'ETH Zurich et de l'institut Paul Scherrer en Suisse veut découvrir. Et pour ça, ils utilisent l'une des particules les plus étranges qui existent.

Le muon, ce cousin encombrant de l'électron

Présente-toi au muon. C'est basically l'électron en surpoids. Identique en tout point, sauf qu'il pèse environ 200 fois plus lourd. Et là où ça devient intéressant : personne ne sait pourquoi ces générations plus lourdes de particules existent tout simplement.

Le modèle standard — notre meilleure théorie sur le fonctionnement des particules — décrit trois générations de matière. Première génération : les protons, neutrons et électrons qu'on connaît. Deuxième génération : les muons et leurs copains. Troisième génération : des trucs encore plus lourds appelés particules tau.

"Mais pourquoi on a ces générations supplémentaires ? Et pourquoi exactement trois ?"

Belle question. On n'a pas la réponse. Et cette inconnue a poussé l'équipe à se demander : et si ces particules lourdes ne répondaient pas à la gravité comme les légères ? Et si on s'était trompé depuis le début ?

Le défi de tester la gravité sur des muons

Tu veux vérifier si les muons tombent à la même vitesse que les électrons ? Facile, non ? Suffit d'en lâcher quelques-uns et d'observer.

Si seulement c'était si simple.

Premier problème : les muons sont asociaux. Ils ne vivent que 2,2 microsecondes avant de se désintégrer en d'autres particules. C'est-à-dire 0,0000022 seconde. Impossible de faire une expérience de chute tranquille avec quelque chose qui disparaît aussi vite.

Deuxième problème : si tu utilises un muon chargé, n'importe quel champ électromagnétique parasite écraserait la toute petite force gravitationnelle que tu essaies de mesurer. La gravité, c'est faible. Ça se fait facilement domination.

La solution ? Créer du muonium.

L'atome le plus bizarre du monde

Le muonium, ça a l'air sorti d'un film de science-fiction, mais c'est réel. Tu prends un antimuon chargé positivement et tu le combines avec un elektron chargé négativement. Résultat : un atome neutre, hybride entre matière et antimatière.

Neutre, c'est crucial. Ça veut dire que les champs électromagnétiques ne viennent pas brouiller la mesure de gravité. Puisque le muonium est électriquement neutre, l'équipe peut réellement l'observer tomber.

Mais il reste le problème de la vitesse. Les méthodes traditionnelles produisaient des atomes de muonium qui fonçaient dans tous les sens, à des vitesses aléatoires. Inutile pour des mesures précises.

La percée ? Les chercheurs ont trouvé comment produire du muonium "froid" : des atomes qui bougent tous à peu près à la même vitesse, dans à peu près la même direction. C'est ça qui rend l'expérience de gravité possible.

Un canon à atomes dans de l'hélium quantique

Là ça devient vraiment cool. Pour créer ce faisceau de muonium froid, l'équipe utilise de l'hélium superfluide refroidi à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu — environ moins 273 degrés Celsius.

L'hélium superfluide, c'est basically un fluide quantique où les atomes perdent leur individualité et le liquide devient complètement sans friction. Il ne supporte aucune impureté. C'est la diva des liquides.

Quand les antimuons produits par l'accélérateur du PSI entrent dans cet hélium, ils ralentissent. Quand un antimuon attrape un elektron libre pour former du muonium, quelque chose de magique se produit : le potentiel chimique à l'intérieur du liquide agit comme un mini propulseur, envoyant l'atome tout juste né vers le haut, à travers la surface.

Jesse Zhang, l'auteur principal, le décrit magnifiquement : "On utilise le potentiel chimique comme un canon à atomes."

J'adore cette image. Un canon à atomes tirant des particules exotiques à travers un liquide quantique pour tester la théorie d'Einstein. La science, c'est génial.

Et maintenant ?

L'équipe construit maintenant un interféromètre — un appareil qui utilise les propriétés ondulatoires des atomes pour mesurer des effets infinitésimaux. Quand les atomes de muonium montent et descendent sous l'effet de la gravité terrestre, l'interféromètre détectera les moindres variations dans leurs motifs ondulatoires.

Si Einstein avait raison et que le principe d'équivalence s'applique aussi aux particules de deuxième génération, le muonium devrait se comporter exactement comme la matière ordinaire dans un champ gravitationnel.

Mais s'il y avait la moindre tiny anomalie ? Ce serait énorme. On parle de terrain pour un prix Nobel et d'une réécriture des manuels de physique.

Honnêtement, j'espère qu'ils trouveront quelque chose. Pas parce que je veux qu'Einstein ait tort, mais parce qu'on teste ce principe d'équivalence avec les mêmes types de matière depuis des siècles. Il est temps d'explorer autre chose. Il est temps de vérifier si l'univers est équitable avec toutes ses particules, ou seulement avec celles qu'on connaît.

Cette expérience pourrait enfin nous aider à comprendre pourquoi la nature s'est embêtée à créer plusieurs générations de matière. C'est quand même assez spectaculaire pour une particule qui ne vit que 2,2 microsecondes.

Parfois, les choses les plus éphémères nous enseignent les leçons les plus profondes.

Source : ScienceDaily