Une nouvelle étude établie que la cinquième force fondamentale dite “caméléon” n’est pas réelle

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Diverses théories ont été proposées sur la nature de l’énergie noire. Une idée particulièrement convaincante – la théorie du caméléon – décrit un champ scalaire ultra-léger qui se couple aux champs de la matière normale et laisse des effets mesurables qui ne sont pas expliqués par les quatre interactions fondamentales, et serait la cinquième force fondamentale. Malgré des efforts substantiels dans les observations astrophysiques et les expériences de laboratoire, les tests antérieurs n’étaient pas suffisamment précis pour fournir des conclusions décisives quant à la validité de ces théories. Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Physics, He Jian-hua et al., en utilisant un capteur de force à lévitation diamagnétique, ont étendu les tests précédents de près de deux ordres de grandeur, couvrant tout l’espace de paramètres physiquement plausibles des modèles de caméléons cosmologiquement viables. Ils n’ont trouvé aucune preuve de la cinquième force prédite par les modèles caméléons. Leurs résultats excluent définitivement le modèle de base du caméléon en tant que candidat pour l’énergie noire.


Albert Einstein et la théorie de la relativité

L’idée d’un Univers en expansion n’est pas neuve. Elle débute avec la grande révolution conceptuelle introduite par Albert Einstein. Plutôt que de considérer la gravité comme une force instantanée et attractive, il propose, en 1915 dans sa Relativité Générale, que la gravitation courbe l’espace-temps. Et cette courbure “imprime” le mouvement des planètes autour de leur astre, et des étoiles autour de leur galaxie. L’Univers (le contenant) ainsi que la matière et la lumière (son contenu) s’y retrouvent inextricablement mêlés. Einstein envisageait à l’époque un univers statique, éternel, sans évolution. Mais alors que sa théorie commence à être prouvée par les observations, Georges Lemaître (chanoine catholique, astronome et physicien belge) propose une interprétation de la Relativité Générale : l’Univers en expansion, ce qui aboutira à ce que nous connaissons aujourd’hui sous le nom de théorie du Big Bang. Ne pouvant se résoudre à cette idée, Einstein introduit alors la constante cosmologique dans ses équations pour obtenir un Univers statique. Mais les observations de Vesto Slipher et Edwin Hubble, dans les années 1910 et 1920 confirment que l’Univers est en expansion, ce qui valide l’idée de Lemaître. Einstein lui-même admettra par après que l’introduction de la constante cosmologique était «la pire erreur de sa carrière».

En 1998 toutefois, des observations de Supernovæ mettent en évidence que l’Univers n’est pas seulement en expansion mais en expansion accélérée ! En effet, l’écart entre la vitesse à laquelle l’univers semble s’étendre et la vitesse à laquelle nous nous attendons à ce qu’il s’étende est l’une des anomalies les plus obstinément persistantes de la cosmologie. Les cosmologistes fondent leurs attentes du taux d’expansion (un taux connu sous le nom de constante de Hubble) sur les mesures du rayonnement émis peu de temps après le Big Bang. Ce rayonnement révèle les ingrédients précis de l’univers primitif. Les cosmologistes insèrent les ingrédients dans leur modèle d’évolution cosmique et font avancer le modèle pour voir à quelle vitesse l’espace devrait s’étendre aujourd’hui. Pourtant, la prédiction est insuffisante : lorsque les cosmologistes observent des objets astronomiques tels que des étoiles pulsantes et des supernovas qui explosent, ils voient un univers qui s’étend plus rapidement, avec une constante de Hubble plus grande. L’écart, connu sous le nom de tension de Hubble, a persisté alors même que toutes les mesures sont devenues plus précises. Certains astrophysiciens continuent de se demander si la tension pourrait n’être rien de plus qu’une erreur de mesure. Mais si l’écart est réel, cela signifie qu’il manque quelque chose au modèle de l’univers des cosmologistes.

Un mystère à résoudre

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Actuellement les physiciens n’expliquent que … 5% du contenu de l’Univers, soit la matière “visible” et la radiation, à savoir les particules fondamentales : quarks, électrons, neutrinos, photons, gluons … formant les planètes, les étoiles et les vastes étendues de gaz interstellaire. Mais à l’échelle cosmique, les 95% restant se répartissent entre deux mystérieux composants, que l’on appelle communément la matière noire (27%) et un composant mystérieux à énergie positive mais à pression négative et répulsive et qui entraîne l’accélération de l’expansion de l’Univers appelée énergie noire (68%). La possibilité la plus simple est que l’énergie noire soit la constante cosmologique d’Einstein (l’énergie de l’espace lui-même, avec une densité constante partout), qui est potentiellement liée à l’énergie du vide des champs quantiques. Cependant, les théories actuelles des champs quantiques ne peuvent ni prédire naturellement la petite valeur mesurée de la constante cosmologique ni expliquer sa stabilité sans ajustement.

Alternativement, l’énergie noire peut être expliquée comme un champ scalaire dynamique. Un candidat possible pour son fonctionnement est la force caméléon ou champ caméléon, une force fondamentale supplémentaire aux quatre que nous savons être à l’œuvre dans l’univers : la gravitation, la force électromagnétique, la force nucléaire faible et la force nucléaire fort. La force du champ caméléon dépendrait de la densité de matière qui l’entoure. Dans des milieux relativement denses comme sur Terre, au sein de notre système solaire, ou même dans les galaxies, la présence du champ Caméléon est imperceptible. Elle le devient dans des milieux très peu denses, à des échelles si grandes que les galaxies ne sont plus que des points séparés par de vastes étendues où la densité de matière et de rayonnement est très faible. C’est à cette échelle que le champ Caméléon provoquerait l’accélération de l’expansion; son influence change en fonction de son milieu, ce qui lui vaut son nom de caméléon.

Bien qu’il s’agisse d’une théorie convaincante pour l’énergie noire, un test précis de cette cinquième force est en effet difficile. Dans les régions moins denses de l’espace sur des distances cosmiques, cela aurait un effet significatif, forçant la matière à se séparer. Mais à grande échelle, les observations cosmologiques et astrophysiques sont sujettes à des erreurs systématiques,et cela empêche un test robuste basé sur ces observations.

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Quant aux observations sur Terre, une région dense selon les normes cosmologiques, cette cinquième force est sensée être si petite qu’elle est éclipsée par les autres forces, ce qui doit la rendre difficile à mesurer, car les expériences de laboratoire seraient confrontée au problème de la double suppression. En effet, les chercheurs ont déjà essayé de mesurer la force du caméléon en mesurant tout déplacement entre une masse d’essai et des groupes d’atomes dans un laboratoire, ou entre une masse d’essai et un pendule. La cinquième force est masquée (supprimée) non seulement au niveau des masses sources, mais également au niveau du capteur de force, ce qui la rend difficile à détecter. En fait, bien que la précision du couple dans les expériences de pendule de torsion soit très élevée, lorsqu’il s’agit de tester la cinquième force, elle devient moins efficace lorsque le criblage est fort, et les limites de la taille ou de la portée de ces expériences signifient que la force pourrait encore se cacher à des échelles d’énergie que nous ne pouvions pas sonder sur Terre.

La preuve par la chute des atomes?

Pour atténuer cette double suppression, l’interférométrie atomique a été proposée, dans laquelle des atomes sont utilisés comme capteurs de force. En raison de leur petitesse, l’auto-criblage des atomes peut être négligé. C’est une technique aujourd’hui bien maîtrisée, et dont la sensibilité pourrait être suffisante pour mettre en évidence la présence du Caméléon. Le principe est d’étudier le comportement d’atomes dans cette chambre, avec une masse test en son centre. Les atomes sont suffisamment petits pour ne pas créer une densité qui masquerait la présence du Caméléon dans la chambre où l’on fait le vide. On y fait tomber des atomes froids et la variation de leur vitesse (leur accélération) est mesurée. On teste donc l’universalité de la chute libre et on essaie de distinguer une accélération supplémentaire à celle prédite par les lois de Newton.

En observant le comportement d’atomes minuscules, on pourrait donc répondre à une question fondamentale, que l’observation de l’Univers aux distances cosmologiques nous pose aujourd’hui : comment l’Univers accélère-t-il? Cependant, les expériences d‘interférométrie atomique rapportées sont entravées par la petite taille des masses de source, ce qui conduit à un temps de chute libre utile limité pour que les particules échantillonnent le champ caméléon. Combler cette lacune nécessite des améliorations substantielles des techniques utilisées dans les expériences existantes et, par conséquent, reste un défi pour les expériences de laboratoire de pointe.

La nouvelle étude, ses résultats et sa portée

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Maintenant, He Jian-hua de l’Université de Nanjing en Chine et ses collègues ont conçu une expérience qui utilise une bande de graphite à lévitation magnétique (un capteur de force à lévitation diamagnétique) et une masse d’essai pour rechercher des preuves du champ caméléon à des échelles auparavant non mesurées qui comblent le vide entre les expériences passées sur le pendule et l’atome. Pour cela, He Jian-hua et al. ont conçu une expérience capable de minimiser toutes les autres forces possibles, en ayant des masses si fines que l’effet de la gravité sur elles est négligeable, et en plaçant la masse d’essai à l’intérieur d’une cage de Faraday qui bloque les champs électriques. Ils ont ensuite utilisé un microscope optique et un système laser pour mesurer tout déplacement provoqué par un champ caméléon entre les deux masses. Ils ont utilisé une structure à couche mince spécialement conçue pour le capteur de force et les masses source afin de surmonter le problème de la double suppression. Les géométries du capteur de force et des masses de la source étaient soigneusement optimisées pour maximiser la cinquième force produite en utilisant des simulations numériques.  Mais les tests n’ont pas été concluant. “Si l’énergie noire existe vraiment, alors dans notre expérience, nous devrions être capables de détecter [la force caméléon]”, déclare He Jian-hua. “Nous avons un capteur de force très sensible, mais nous n’avons rien trouvé”.

Ces travaux montrent toutefois qu’en plus des grands projets cosmologiques conventionnels tels que le projet d’instrument spectroscopique à énergie noire basé au sol et la mission spatiale Euclid, les expériences en laboratoire peuvent fournir une voie alternative et prometteuse pour étudier l’énergie noire, qui peut à l’avenir dévoiler sa nature. Ces résultats sont importants pour réduire les échelles et les énergies auxquelles une force caméléon pourrait agir. Cependant, cela n’exclut pas de manière décisive les possibilités de son existence si l’énergie noire fonctionne à différentes échelles d’énergie. Ainsi, bien que ces travaux aient rendu un lien possible entre la force caméléon et l’énergie noire plus improbable, une force caméléon sans rapport avec l’énergie noire pourrait encore exister.  Dans l’ensemble, les résultats de He Jian-hua et al. démontrent la robustesse de l’oscillateur mécanique à lévitation diamagnétique en tant que capteur de force ultra-sensible à des échelles inférieures au milligramme pour tester les théories de l’énergie noire.

Enfin, les performances du dispositif expérimental de He Jian-hua et al. pourraient également être considérablement améliorées dans un environnement cryogénique. En tant que tel, leur système pourrait être développé pour étudier un large éventail de problèmes de physique fondamentaux tels que la gravité à courte portée, le mécanisme d’effondrement de la fonction d’onde et la gravité quantique. Avec des mises à jour modérées, leur système pourrait être généralisé pour tester d’autres théories, telles que la théorie du champ symmétron et les théories de type gravitation f(R). De plus, leur méthodologie pourrait également être généralisée à d’autres systèmes de lévitation magnétique.

Journal de référence : Nature Physics, DOI : 10.1038/s41567-022-01706-9

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