A deux endroits à la fois

Toute personne ayant un diplôme d’études secondaires connaît la loi de la gravitation universelle de Newton : c’est que la force de gravitation se comporte comme 1 sur la distance au carré lorsque vous vous séparez d’une masse gravitationnelle. Et ces jours-ci, presque tout le monde a également entendu parler de la mécanique quantique, grâce à l’avènement de l’informatique quantique, que même le premier ministre du Canada est capable de expliquer.

Le comportement fascinant des systèmes quantiques est qu’ils peuvent fondamentalement permettre à quelque chose d’être dans deux états (ou plus) en même temps. Une particule massive, par exemple, peut être placée à deux endroits simultanément. Ce n’est pas de la science-fiction : les interféromètres atomiques placent régulièrement des atomes uniques de césium ou de rubidium dans des configurations où l’état quantique de l’atome unique est partagé entre deux endroits séparés de plusieurs centimètres.

De tels états sont très sensibles à la gravitation, donnant lieu à la mesure la plus précise que les scientifiques aient pu faire du champ gravitationnel terrestre, une partie sur 10 ^ 15, par exemple. Mais quel champ gravitationnel une particule massive crée-t-elle dans un tel état quantique ?

To find out, Université de Montréal particle physicists Richard MacKenzie et Manu Paranjapé travaillent depuis 2012 avec leur collègue Urjit Yajnik à l’Indian Institute of Technology Bombay, à Mumbai, en Inde, soutenu par un Coopération Québec-Maharashtra grant of Quebec’s Ministère des relations internationales et de la Francophonie.

Avec de nombreux étudiants et autres collaborateurs, ils ont produit un grand nombre de recherches en physique théorique des particules, et leur étude la plus récente, juste publié dans Physical Review Letters, la revue de l’American Physical Society, pose la question : “Quel est le champ gravitationnel d’une masse dans une superposition quantique spatialement non locale ?” Leur découverte surprenante : semblant ne pas savoir qu’une particule massive est scindée entre deux endroits à la fois, le champ gravitationnel semble émaner d’un seul endroit, compte tenu de la position moyenne de la particule massive.

Pour arriver à cette conclusion, les scientifiques ont pensé aux expériences de diffusion d’autres physiciens des particules, par exemple dans le Grand collisionneur de hadrons, qui au cours du siècle dernier ont sondé l’intérieur des atomes, des noyaux et d’autres particules subatomiques. Le diffusion inélastique profonde des expériences réalisées à la fin des années 1970 ont également démontré l’existence de quarks à l’intérieur du noyau et confirmé la théorie des interactions fortes, appelée chromodynamique quantique.

“Il était évident pour nous que nous devions calculer le comportement de la diffusion gravitationnelle d’autres particules à partir de la particule massive spatialement non locale”, a déclaré Paranjape. “Ce calcul permettrait de sonder la nature du champ gravitationnel créé par la particule massive non locale. Ce faisant, nous avons montré de manière indiscutable que la diffusion se comporte comme si la particule massive était dans sa position moyenne et qu’elle ne se comporte pas comme s’il y avait une demi-particule à chacune des deux positions spatiales distinctes. Ce résultat était en fait assez inattendu.”

Vient maintenant le travail acharné : la vérification expérimentale des calculs théoriques de leurs scientifiques.

“Pour l’instant, le champ gravitationnel d’un seul atome est bien trop faible pour être observé expérimentalement, même avec les détecteurs de champs gravitationnels les plus sensibles, les interféromètres atomiques”, a déclaré MacKenzie. “Mais il est du domaine du possible de mesurer le champ gravitationnel d’une collection d’environ un milliard d’atomes.”

Ce nombre d’atomes, bien que bien inférieur à un microgramme de matière, est à peu près le nombre d’atomes qui participent à l’état quantique macroscopique correspondant à un soi-disant Condensat de Bose-Einstein. Une superposition spatialement non locale d’un condensat de Bose-Einstein de cette taille pourrait être construite, et elle donnerait lieu à des champs gravitationnels mesurables.

Si la théorie des scientifiques pouvait être vérifiée expérimentalement, “les résultats seraient spectaculaires”, a déclaré Paranjape. Restez à l’écoute… où que vous soyez.

À propos de cette étude

“Quel est le champ gravitationnel d’une masse dans une superposition quantique spatialement non locale ?” par Urjit Yajnik et al, était publié 7 mars 2023 dans Lettres d’examen physique.