La gravité, la force qui maintient les planètes en orbite et nous colle au sol, est une des quatre forces fondamentales de l’Univers. Alors que nous avons une compréhension approfondie des trois autres forces (électromagnétique, forte et faible), la gravité reste une énigme dans le cadre de la physique quantique. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à la comprendre à une échelle quantique, notamment en cherchant une particule hypothétique appelée graviton, supposée être le porteur de la force gravitationnelle. Récemment, une nouvelle approche expérimentale a été proposée pour détecter ces gravitons, ce qui promet de révéler des aspects cachés de la gravité.
La gravité : une force énigmatique
La gravité est une force fondamentale qui agit entre tous les objets possédant une masse. Elle est responsable de l’attraction que nous ressentons vers le sol et de la façon dont les objets célestes interagissent dans l’espace.
Dans le détail, contrairement à d’autres forces, comme l’électromagnétisme, qui peuvent être expliquées en termes de particules échangeant des forces, la gravité est souvent décrite à travers la courbure de l’espace-temps, selon la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Cette théorie affirme que les objets massifs, comme les planètes et les étoiles, déforment l’espace-temps autour d’eux et créent une « fosse » dans laquelle d’autres objets sont attirés. Ainsi, la gravité n’est pas simplement une force d’attraction, mais aussi un effet de la manière dont la masse influence la structure même de l’Univers, façonnant les trajectoires des corps célestes et déterminant la formation des galaxies, des étoiles et des systèmes planétaires.
Cependant, malgré sa présence universelle et son rôle crucial, la gravité n’est pas bien expliquée par la physique quantique. Cette branche de la physique, qui décrit les interactions des particules à une échelle très petite, a en effet réussi à décrire trois des quatre forces fondamentales de l’Univers grâce à des particules médiatrices. Par exemple, le photon est responsable de la force électromagnétique, tandis que les gluons et les bosons W et Z expliquent respectivement les forces forte et faible. Néanmoins, pour la gravité, aucune particule médiatrice n’a encore été identifiée, ce qui nous ramène au graviton. Selon plusieurs théoriciens, cette particule hypothétique serait en effet responsable de la force gravitationnelle. Cependant, elle n’a toujours pas été détectée directement.
Une nouvelle expérience
Pour détecter ces gravitons, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Igor Pikovski du Stevens Institute of Technology propose une nouvelle approche expérimentale. Leur méthode utilise des résonateurs acoustiques, des dispositifs lourds et cylindriques, pour détecter les vibrations causées par les gravitons. Cette approche est inspirée par le principe de l’effet photoélectrique qui a été crucial dans le développement de la théorie quantique de la lumière par Albert Einstein.
La théorie derrière cette expérience repose principalement sur l’idée que s’ils existent, les gravitons interagiraient avec la matière de manière quantique. Lorsqu’un graviton est absorbé, il provoquerait donc un changement discret dans l’énergie du résonateur. En utilisant des résonateurs refroidis à des températures extrêmement basses pour minimiser les bruits de fond, les chercheurs espèrent détecter ces changements d’énergie comme des vibrations spécifiques dans les résonateurs.
Pour confirmer cette méthode, les chercheurs prévoient d’utiliser les données provenant de détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO. Ce dernier est capable de détecter les ondes gravitationnelles issues de phénomènes cosmiques majeurs, comme les collisions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons. En comparant les données obtenues avec les vibrations des résonateurs, les chercheurs espèrent identifier les signatures des gravitons.
L’impact potentiel de ces recherches et les défis à venir
Cette nouvelle approche pourrait révolutionner notre compréhension de la gravité et de la physique quantique. La détection directe des gravitons permettrait en effet de tester les théories existantes sur la gravité quantique et pourrait ouvrir la voie à des découvertes fondamentales sur la structure de l’Univers. Cependant, plusieurs défis subsistent. Les détecteurs nécessaires pour cette expérience sont en effet extrêmement sensibles et requièrent des conditions expérimentales très précises. De plus, les résonateurs doivent être capables de détecter des signaux très faibles, ce qui représente un défi technique considérable.
Les scientifiques sont donc optimistes, mais prudents. Selon le professeur Pikovski, bien que nous soyons encore loin de résoudre tous les mystères de la gravité quantique, les premiers pas réalisés grâce à ces nouvelles techniques nous rapprochent de cette compréhension. La capacité à mesurer des paliers discrets d’énergie dans les résonateurs acoustiques pourrait ainsi fournir des indices cruciaux sur la nature des gravitons et aider à affiner notre modèle de l’Univers.
