Les physiciens ont établi le « nombre magique » qui façonne l’univers

Une équipe à Paris a effectué la mesure la plus précise à ce jour de la constante de structure fine, tuant les espoirs d’une nouvelle force de la nature.

En tant que constante fondamentale, la vitesse de la lumière, c, jouit de toute la notoriété, mais la valeur numérique de c ne dit rien de la nature ; elle diffère selon qu’elle est mesurée en mètres par seconde ou en miles par heure. La constante de structure fine, en revanche, n’a pas de dimensions ni d’unités. C’est un nombre pur qui façonne l’univers à un degré étonnant – « un nombre magique qui nous arrive sans aucune compréhension », comme l’a décrit Richard Feynman. Paul Dirac a considéré l’origine du nombre comme « le problème non résolu le plus fondamental de la physique ».

Numériquement, la constante de structure fine, désignée par la lettre grecque α (alpha), est très proche du rapport 1/137. Elle apparaît couramment dans les formules régissant la lumière et la matière. « C’est comme en architecture, il y a le nombre d’or », a déclaré Eric Cornell, physicien lauréat du prix Nobel à l’université du Colorado, à Boulder et à l’Institut national des normes et de la technologie. « Dans la physique de la matière à faible énergie – atomes, molécules, chimie, biologie – il y a toujours un rapport » entre les grandes choses et les petites, a-t-il dit. « Ces rapports ont tendance à être des puissances de la constante de structure fine. »

La constante est partout car elle caractérise la force électromagnétique qui affecte les particules chargées telles que les électrons et les protons. « Dans notre monde quotidien, tout est soit gravité, soit électromagnétisme. Et c’est pourquoi l’alpha est si important », a déclaré Holger Müller, physicien à l’université de Californie, Berkeley. Comme 1/137 est petit, l’électromagnétisme est faible ; en conséquence, les particules chargées forment des atomes aériens dont les électrons orbitent à distance et s’éloignent facilement en sautant, ce qui permet des liaisons chimiques. D’autre part, la constante est également juste assez grande : Les physiciens ont affirmé que si elle était de l’ordre de 1/138, les étoiles ne pourraient pas créer de carbone, et la vie telle que nous la connaissons n’existerait pas.

Les physiciens ont plus ou moins abandonné une obsession centenaire sur l’origine de la valeur particulière de l’alpha ; ils reconnaissent maintenant que les constantes fondamentales pourraient être aléatoires, décidées lors de jets de dés cosmiques lors de la naissance de l’univers. Mais un nouvel objectif a pris le dessus.

Les physiciens veulent mesurer la constante de structure fine aussi précisément que possible. Parce qu’elle est si omniprésente, la mesurer avec précision leur permet de tester leur théorie des interrelations entre les particules élémentaires – le majestueux ensemble d’équations connu sous le nom de Modèle standard de la physique des particules. Toute divergence entre les mesures ultra-précises de quantités connexes pourrait indiquer la présence de nouvelles particules ou d’effets non pris en compte par les équations standard. Cornell appelle ce genre de mesures de précision une troisième façon de découvrir expérimentalement les rouages fondamentaux de l’univers, avec les collisionneurs de particules et les télescopes.

Aujourd’hui, dans un nouvel article de la revue Nature, une équipe de quatre physiciens dirigée par Saïda Guellati-Khélifa au laboratoire Kastler Brossel à Paris a rapporté la mesure la plus précise à ce jour de la constante de structure fine. L’équipe a mesuré la valeur de la constante jusqu’à la 11e décimale, indiquant que α = 1/137.035999206.

Avec une marge d’erreur de seulement 81 parties par trillion, la nouvelle mesure est presque trois fois plus précise que la précédente meilleure mesure effectuée en 2018 par le groupe de Müller à Berkeley, le principal concurrent. (Guellati-Khélifa a effectué la mesure la plus précise avant celle de Müller en 2011.) Müller a déclaré à propos de la nouvelle mesure de l’alpha de son rival : « Un facteur de trois est une grosse affaire. N’ayons pas peur d’appeler cela un grand accomplissement ».

Guellati-Khélifa améliore son expérience depuis 22 ans. Elle mesure la constante de structure fine en mesurant la force de recul des atomes de rubidium lorsqu’ils absorbent un photon. (Müller fait de même avec les atomes de césium.) La vitesse de recul révèle le poids des atomes de rubidium – le facteur le plus difficile à mesurer dans une formule simple pour la constante de structure fine. « C’est toujours la mesure la moins précise qui est le goulot d’étranglement, donc toute amélioration de celle-ci entraîne une amélioration de la constante de structure fine », a expliqué Mme Müller.

Les expérimentateurs parisiens commencent par refroidir les atomes de rubidium presque jusqu’au zéro absolu, puis les font tomber dans une chambre à vide. Lorsque le nuage d’atomes tombe, les chercheurs utilisent des impulsions laser pour placer les atomes dans une superposition quantique de deux états – frappés par un photon et non frappés. Les deux versions possibles de chaque atome voyagent sur des trajectoires séparées jusqu’à ce que d’autres impulsions laser ramènent les moitiés de la superposition ensemble. Plus un atome recule lorsqu’il est frappé par la lumière, plus il est déphasé par rapport à la version non frappée de lui-même. Les chercheurs mesurent cette différence pour révéler la vitesse de recul des atomes. « De la vitesse de recul, nous extrayons la masse de l’atome, et la masse de l’atome est directement impliquée dans la détermination de la constante de structure fine », a déclaré Guellati-Khélifa.

Dans des expériences aussi précises, chaque détail compte. Le tableau 1 du nouveau document est un « budget d’erreur » énumérant 16 sources d’erreur et d’incertitude qui affectent la mesure finale. Parmi celles-ci figurent la gravité et la force de Coriolis créée par la rotation de la Terre – toutes deux minutieusement quantifiées et compensées. Une grande partie du budget d’erreur provient des faiblesses du laser, que les chercheurs ont passé des années à perfectionner.

Pour Guellati-Khélifa, le plus difficile est de savoir quand s’arrêter et publier. Elle et son équipe se sont arrêtées la semaine du 17 février 2020, au moment où le coronavirus prenait pied en France. À la question de savoir si décider de publier est comme un artiste qui décide qu’un tableau est terminé, Guellati-Khélifa a répondu : « Exactement. Exactement. Exactement. »

Étonnamment, sa nouvelle mesure diffère du résultat de 2018 de Müller au niveau du dixième chiffre, un écart plus important que la marge d’erreur de l’une ou l’autre mesure. Cela signifie – à moins d’une différence fondamentale entre le rubidium et le césium – que l’une des mesures ou les deux présentent une erreur non comptabilisée. La mesure du groupe de Paris est la plus précise, elle est donc prioritaire pour l’instant, mais les deux groupes vont améliorer leurs réglages et réessayer.

Bien que les deux mesures diffèrent, elles correspondent étroitement à la valeur du alpha déduite de mesures précises du facteur g de l’électron, une constante liée à son moment magnétique, ou au couple que l’électron subit dans un champ magnétique. « Vous pouvez relier la constante de structure fine au facteur g avec beaucoup de mathématiques », a déclaré M. Cornell. « S’il y a des effets physiques manquants dans les équations [du modèle standard], nous nous trompons.

Au lieu de cela, les mesures correspondent parfaitement, excluant largement certaines propositions de nouvelles particules. L’accord entre les meilleures mesures du facteur g et la mesure de Müller pour 2018 a été salué comme le plus grand triomphe du modèle standard. Le nouveau résultat de Guellati-Khélifa correspond encore mieux. « C’est l’accord le plus précis entre la théorie et l’expérience », a-t-elle déclaré.

Et pourtant, elle et Müller ont toutes deux entrepris d’apporter de nouvelles améliorations. L’équipe de Berkeley est passée à un nouveau laser avec un faisceau plus large (lui permettant de frapper leur nuage d’atomes de césium de manière plus régulière), tandis que l’équipe de Paris prévoit de remplacer sa chambre à vide, entre autres choses.

Quel genre de personne consacre un effort aussi considérable à des améliorations aussi minimes ? Guellati-Khélifa a nommé trois traits : « Il faut être rigoureux, passionné et honnête avec soi-même. » En réponse à la même question, Mme Müller a déclaré : « Je pense que c’est passionnant parce que j’aime construire de belles machines brillantes. Et j’aime les appliquer à quelque chose d’important ». Il a fait remarquer que personne ne peut construire seul un collisionneur à haute énergie comme le Grand collisionneur de hadrons européen. Mais en construisant un instrument ultra-précis plutôt que super-énergétique, M. Müller a déclaré : « vous pouvez faire des mesures relevant de la physique fondamentale, mais avec trois ou quatre personnes ».

Via Quantamagazine.

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