Un laboratoire souterrain italien recherche des signaux de gravité quantique

Depuis des décennies, les physiciens recherchent un modèle de gravité quantique qui unifierait la physique quantique, les lois qui régissent l’infime et la gravité. Un obstacle majeur a été la difficulté de tester expérimentalement les prédictions des modèles candidats. Mais certains des modèles prédisent un effet qui peut être sondé en laboratoire : une très petite violation d’un principe quantique fondamental appelé principe d’exclusion de Pauli, qui détermine, par exemple, comment les électrons sont disposés dans les atomes.

Un projet mené dans les laboratoires souterrains de l’INFN sous les montagnes du Gran Sasso en Italie a recherché des signes de rayonnement produits par une telle violation sous la forme de transitions atomiques interdites par le principe d’exclusion de Pauli.

Dans deux articles parus dans les revues Lettres d’examen physique (publié le 19 septembre 2022) et Examen physique D (accepté pour publication le 7 décembre 2022) l’équipe rapporte qu’aucune preuve de violation n’a été trouvée, jusqu’à présent, excluant certains modèles de gravité quantique.

Dans les cours de chimie à l’école, on nous apprend que les électrons ne peuvent s’organiser que de certaines manières spécifiques dans les atomes, ce qui s’avère être dû au principe d’exclusion de Pauli. Au centre de l’atome se trouve le noyau atomique, entouré d’orbitales, avec des électrons. La première orbitale, par exemple, ne peut contenir que deux électrons. Le principe d’exclusion de Pauli, formulé par le physicien autrichien Wolfang Pauli en 1925, dit que deux électrons ne peuvent pas avoir le même combien d’état; ainsi, dans la première orbitale d’un atome, les deux électrons ont des “spins” opposés (une propriété interne quantique généralement représentée comme un axe de rotation, pointant vers le haut ou vers le bas, bien qu’aucun axe littéral n’existe dans l’électron).

L’heureux résultat de cela pour les humains est que cela signifie que la matière ne peut pas passer à travers une autre matière. “C’est omniprésent – vous, moi, nous sommes basés sur le principe d’exclusion de Pauli”, déclare Catalina Curceanu, membre du groupe de réflexion sur la physique, le Foundational Questions Institute, FQXi, et physicienne en chef des expériences à l’INFN, Italie. “Le fait que nous ne puissions pas traverser les murs est une autre conséquence pratique.”

Le principe s’étend à tous particules élémentaires appartenant à la même famille que les électrons, appelés fermions, et a été dérivé mathématiquement d’un théorème fondamental connu sous le nom de théorème de statistique de spin. Il a également été confirmé expérimentalement – jusqu’à présent – semblant valable pour tous les fermions dans les tests. Le principe d’exclusion de Pauli constitue l’un des principes fondamentaux du modèle standard de la physique des particules.

Violation du principe

Mais certains modèles spéculatifs de la physique, au-delà du modèle standard, suggèrent que le principe peut être violé. Depuis des décennies, les physiciens sont à la recherche d’une théorie fondamentale de la réalité. Le modèle standard est formidable pour expliquer le comportement des particules, les interactions et les processus quantiques à l’échelle microscopique. Cependant, il n’englobe pas la gravité.

Ainsi, les physiciens ont essayé de développer une théorie unificatrice de la gravité quantique, dont certaines versions prédisent que diverses propriétés qui sous-tendent la modèle standardtels que le principe d’exclusion de Pauli, peuvent être violés dans des circonstances extrêmes.

“Beaucoup de ces violations se produisent naturellement dans les théories et les modèles de gravité quantique dits” non commutatifs “, tels que ceux que nous avons explorés dans nos articles”, explique Curceanu. L’un des cadres candidats les plus populaires de la gravité quantique est la théorie des cordes, qui décrit les particules fondamentales comme de minuscules fils d’énergie vibrants dans des espaces multidimensionnels. Certains modèles de théorie des cordes prédisent également une telle violation.

“L’analyse que nous avons rapportée défavorise certaines réalisations concrètes de la gravité quantique”, déclare Curceanu.

On pense traditionnellement qu’il est difficile de tester de telles prédictions car la gravité quantique ne deviendra généralement pertinente que dans les arènes où il y a une énorme quantité de gravité concentrée dans un espace minuscule – pensez au centre d’un trou noir ou au début de l’univers.

Cependant, Curceanu et ses collègues ont réalisé qu’il pourrait y avoir un effet subtil – une signature indiquant que le principe d’exclusion et le théorème des statistiques de spin ont été violés – qui pourrait être détecté dans des expériences de laboratoire sur Terre.

Au fond des montagnes du Gran Sasso, près de la ville de L’Aquila, en Italie, l’équipe de Curceanu travaille sur l’expérience principale VIP-2 (Violation du principe de Pauli). Au cœur de l’appareil se trouve un bloc épais en plomb romain, avec un détecteur au germanium à proximité qui peut capter de petits signes de rayonnement émanant du plomb.

L’idée est que si le principe d’exclusion de Pauli est violé, une transition atomique interdite se produira dans le fil romain, générant un rayon X avec un signal d’énergie distinct. Ce rayon X peut être capté par le détecteur au germanium.

Silence cosmique

Le laboratoire doit être logé sous terre car la signature de rayonnement d’un tel processus sera si faible qu’elle serait autrement noyée par le rayonnement de fond général sur Terre provenant des rayons cosmiques. “Notre laboratoire assure ce qu’on appelle le” silence cosmique “, en ce sens que la montagne du Gran Sasso réduit le flux de rayons cosmiques d’un million de fois”, explique Curceanu. Cela seul ne suffit cependant pas.

“Notre signal a un taux possible de seulement un ou deux événements par jour, ou moins”, explique Curceanu. Cela signifie que les matériaux utilisés dans l’expérience doivent eux-mêmes être “radio-purs” – c’est-à-dire qu’ils ne doivent émettre aucun rayonnement eux-mêmes – et que l’appareil doit être protégé du rayonnement des roches de la montagne et du rayonnement provenant du sous-sol.

“Ce qui est extrêmement excitant, c’est que nous pouvons sonder certains modèles de gravité quantique avec une précision aussi élevée, ce qui est impossible à faire avec les accélérateurs actuels”, déclare Curceanu.

Dans leurs récents articles, l’équipe rapporte n’avoir trouvé aucune preuve de violation du principe de Pauli. “Le financement FQXi a été fondamental pour développer les techniques d’analyse des données”, explique Curceanu. Cela a permis à l’équipe de fixer des limites sur la taille de toute violation possible et les a aidés à contraindre certains modèles de gravité quantique proposés.

En particulier, l’équipe a analysé les prédictions du modèle dit “thêta-Poincaré” et a pu exclure certaines versions du modèle à l’échelle de Planck (l’échelle à laquelle les lois classiques connues de la gravité s’effondrent). De plus, “l’analyse que nous avons rapportée défavorise certaines réalisations concrètes de la gravité quantique”, explique Curceanu.

L’équipe prévoit maintenant d’étendre ses recherches à d’autres modèles de gravité quantique, avec ses collègues théoriciens Antonino Marcianò de l’Université de Fudan et Andrea Addazi de l’Université du Sichuan, tous deux en Chine. “Du côté expérimental, nous utiliserons de nouveaux matériaux cibles et de nouvelles méthodes d’analyse, pour rechercher des signaux faibles afin de dévoiler le tissu de l’espace-temps”, explique Curceanu.

“Ce qui est extrêmement excitant, c’est que nous pouvons sonder certains modèles de gravité quantique avec une précision aussi élevée, ce qui est impossible à faire avec les accélérateurs actuels”, ajoute Curceanu. “C’est un grand pas en avant, tant du point de vue théorique qu’expérimental.”