La physique dans la région où la théorie quantique rencontre la gravité est explorée par de nouvelles recherches sur le lien entre le spin intrinsèque d'une particule et le champ gravitationnel de la Terre.
Deux piliers théoriques forment la base de notre compréhension de la physique. Le premier d'entre eux est la théorie quantique des champs, qui constitue la base du modèle standard de la physique des particules. La seconde est la relativité générale, dont Einstein a déterminé le fonctionnement de la gravité. Les deux piliers ont passé une variété de tests rigoureux et une grande variété de prédictions ont été brillamment confirmées. Cependant, leur inadéquation apparente indique une vérité plus fondamentale. Le manque d'études examinant les événements au lien entre la physique quantique et la gravité rend difficile la réconciliation de ces théories.
Maintenant, un groupe de scientifiques dirigé par Dong Sheng et Zheng-Tian Lu de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) a comblé cette lacune en menant une recherche très sensible des interactions entre le spin quantique intrinsèque d'une particule et le champ gravitationnel de la Terre. . Bien qu'aucune preuve de cette interaction n'ait été découverte, la recherche a produit des limitations importantes qui ont des implications sur l'origine de l'asymétrie matière-antimatière de l'univers ainsi que sur l'existence de forces naturelles spéculatives.
Grâce à l'intégration par Dirac de la physique quantique à la relativité restreinte, le spin intrinsèque est essentiellement une forme purement quantique de moment cinétique qui n'implique pas le spin physique d'une particule. En revanche, la relativité générale, une théorie classique qui ne décrit que le moment cinétique résultant de la rotation de gros objets lourds, est utilisée pour expliquer les champs gravitationnels. Quelle est la relation entre le spin quantique et le champ gravitationnel ? Cette question est toujours sans réponse.
L'équipe de l'USTC a mis en place une expérience incroyablement sensible pour déterminer si l'énergie associée au spin d'un noyau atomique dépend de l'orientation du spin par rapport au champ gravitationnel de la Terre.
Considérons le cas équivalent d'un spin nucléaire dans un champ magnétique : le moment magnétique du spin fait dépendre son énergie de la direction du spin par rapport au champ. L'effet Zeeman, qui est à la base de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de la résonance magnétique nucléaire, est un phénomène. Il en résulte une précession, une fréquence distincte connue sous le nom de fréquence de Larmor qui fait osciller les spins à partir de l'axe du champ magnétique comme une toupie. De même, s'il existe un couplage spin-gravité, les spins seront également précessés dans un environnement gravitationnel.
Dans le champ gravitationnel de la Terre, les spins tourneraient à une fréquence d'environ 10 nHz si la gravité appliquait directement la force qu'elle exerce sur la masse au spin.
Ce chiffre représente près d'un millième du taux de rotation quotidien de notre planète et est 10 milliards de fois plus petit que la fréquence nucléaire habituelle de Larmor dans le champ magnétique terrestre. Ces contrastes mettent en évidence les énormes défis auxquels l'équipe de l'USTC est confrontée. Afin d'identifier une interaction potentielle spin-gravité, il était particulièrement important de comprendre et de réguler étroitement les imprécisions systématiques causées par les champs magnétiques et les événements gyroscopiques associés à la rotation de la Terre.
La méthode utilisée par l'équipe de l'USTC utilisait un gaz polarisé en spin composé d'isotopes xénon-129 et xénon-131. Dans un champ magnétique appliqué, les chercheurs ont mesuré simultanément les fréquences de précession de spin nucléaire des deux isotopes.
Pour réduire les erreurs systématiques causées par les effets gyroscopiques, la direction de ce champ a été soigneusement orientée parallèlement à l'axe de rotation de la Terre. En divisant les deux fréquences de précession, l'équipe a définitivement annulé les effets dus au champ magnétique. Ce rapport de fréquence a été contrôlé lorsque la direction du champ magnétique a été modifiée à plusieurs reprises, et les différences entre les rapports pour les deux directions de champ différentes ont été calculées. Cette différence est proportionnelle au premier ordre à la quantité de précession causée par des facteurs non magnétiques tels que le couple exercé par la gravité sur les spins. Après un examen attentif des données, les chercheurs n'ont trouvé aucune indication d'une interaction spin-gravité.
L'expérience USTC est particulièrement sensible à la force de gravité pour se lier aux spins des neutrons en raison de la structure des noyaux xénon-129 et xénon-131. Les mesures ont placé la contrainte la plus stricte sur tout couplage de spin intrinsèque avec la gravité. La limite de neutrons déterminée réduit les restrictions précédentes de 17 fois, dépassant les restrictions d'électrons et de protons de 400 et 6000 fois, respectivement. L'expérience est sensible aux fréquences de précession de spin cent fois inférieures à la vitesse de rotation de la Terre.
Il est impossible de faire la différence entre l'interaction spin-gravité recherchée par l'expérience USTC et une force à longue portée médiée par un boson étrange comme un axion.
Une option raisonnable pour expliquer la matière noire est l'action, une particule hypothétique prédite par de nombreuses extensions théoriques du modèle standard. Les limitations antérieures sur la force de certaines forces médiées par les axions, ainsi que les contraintes sévères identifiées à partir des données astrophysiques, ont été largement dépassées par les résultats de l'USTC.
Il est particulièrement intéressant que l'expérience USTC étudie une interaction spin-gravité qui s'écarte des symétries fondamentales de parité correspondante (P) et d'inversion temporelle (T) lors de la réflexion des axes de coordonnées sur l'origine [6]. Selon la théorie quantique des champs, les interactions qui violent la symétrie T briseront également la symétrie CP combinée, où C signifie conjugaison de charge ou conversion d'une particule en antiparticule.
La genèse du déséquilibre matière-antimatière de l'univers est un casse-tête physique de longue date, et la pièce manquante est une source actuellement non identifiée de violation de CP. Les recherches sur les effets de violation de CP dans la physique des neutrinos ainsi que sur les moments dipolaires électriques permanents des électrons et d'autres particules fondamentales violant CP ont été alimentées par cette énigme. L'étude des interactions spin-gravité est devenue beaucoup plus difficile avec la possibilité que la gravité puisse violer la symétrie CP.
D'importants travaux théoriques qui ont commencé peu de temps après qu'Einstein ait développé la relativité générale ont révélé que la théorie pouvait être fondamentalement modifiée en incorporant le spin interne dans son cadre.
On peut supposer par analogie que les effets gravitationnels sur le moment cinétique orbital auront des effets égaux sur le spin, puisque le spin intrinsèque est finalement une forme de moment cinétique.
Cette idée marque une expérience difficile. Selon la relativité générale, de grandes masses en rotation se déplaceront dans l'espace-temps avec elles lorsqu'elles tourneront. Des gyroscopes pressés à la suite de cette dérive de trame observée, par exemple, par l'expédition Gravity Probe B. La sensibilité de l'expérience USTC est encore éloignée de plusieurs ordres de grandeur de la détection de la précession de spin causée par la dérive de trame. Cependant, il existe des suggestions empiriques selon lesquelles un tel test pourrait être possible à l'avenir.
Source : physics.aps.org/articles/v16/80
📩 17/05/2023 11:35