Le principe d’équivalence faible dans un condensat de paires de Cooper

Le principe d’équivalence faible (WEP) stipule que la chute libre d’un objet ne dépend pas de sa composition. Expérimentalement, il est exploré à l’aide du paramètre Eötvös entre deux matériaux M₁ et M₂, η(M₁; M₂) = 2 (un₁ − un₂)/(un₁ + un₂), où un₁ et un₂ sont les accélérations de deux objets constitués desdits matériaux. Le satellite MICROSCOPE a estimé η(Ti; Pt) = (−1 ± 13) × 10⁻¹⁵, et η(Pt; Pt) = (4 ± 4) × 10⁻¹⁵ à 68 % CL (LCMF, 4 décembre 2017) . Il a été émis l’hypothèse que la condensation de paires de Cooper dans un supraconducteur pourrait violer ce principe. La meilleure estimation du paramètre Eötvös entre les paires de Cooper (CP) et les paires d’électrons (ee) est publiée sur arXiv, plus précisément, η(CP; ee) ≤ 9,2 × 10⁻⁴. Il a été obtenu sur un équilibre de torsion entre des masses de niobium supraconducteur (Nb*) et de cuivre (Cu), η(Nb*; Cu) ≤ 2,0 × 10⁻⁹ à 95 % CL. Ce résultat s’améliore de plus de deux ordres de grandeur par rapport au meilleur obtenu jusqu’à présent. Et cela peut être interprété comme le fait que le principe d’équivalence faible est valable dans les systèmes quantiques macroscopiques.

Le condensat de la paire de Cooper dans un supraconducteur, tout comme un condensat de Bose-Einstein d’atomes bosoniques, est décrit par une seule fonction d’onde quantique, il est alors considéré comme un état quantique macroscopique. Certains physiciens théoriciens ont émis l’hypothèse que l’interaction gravitationnelle entre ces condensats pourrait offrir un signal pour des effets gravitationnels quantiques. C’est pour cette raison qu’en 1987 le principe d’équivalence forte (SEP) entre paires de Cooper a été étudié expérimentalement, en utilisant deux jonctions supraconductrices de type Josephson séparées de 7,2 centimètres. En 2010, il a été proposé que même si le SEP était respecté, le WEP peer-to-peer de Cooper pourrait être violé. Depuis, plusieurs expériences ont été réalisées pour l’étudier. La nouvelle expérience est la dernière et celle dans laquelle elle offre la limite supérieure la plus stricte, η(CP; ee) ⪅ 10⁻³. Ces expériences sont compliquées, mais je pense que ce niveau peut être amélioré de plusieurs ordres de grandeur au cours de la prochaine décennie.

Les expériences qui explorent la gravitation (newtonienne) dans les systèmes quantiques, même si elles révèlent généralement le contraire, ne nous permettent pas d’explorer la gravitation quantique souhaitée ; Cette future théorie fondamentale décrit la nature quantique de l’espace-temps. Personne ne peut concevoir que cette nature puisse influencer les expériences de laboratoire sur les systèmes quantiques, qu’ils soient macroscopiques ou microscopiques. Ce qui n’enlève rien à l’intérêt de ce type d’expériences en laboratoire, qui nécessitent une grande expertise cryogénique. L’article est MP Ross, SM Fleischer,…, JH Gundlach, « Test du principe d’équivalence pour les supraconducteurs », arXiv : 2407.21232. [gr-qc] (30 juillet 2024), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.21232. La proposition théorique de non-conformité WEP dans un condensat à paire de Cooper est tirée de Clovis Jacinto de Matos, « Physical Vacuum in Superconductors », Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 23 : 1443-1453 (2010), doi : https://doi.org/10.1007/s10948-010-0793-x, arXiv:0908.4495 [gr-qc] (31 août 2009).

Le niobium est un supraconducteur avec une température critique de 9,25 K (kelvin), la balance de torsion a donc dû être refroidie à ∼5 K et enfermée dans une chambre à vide (avec une pression inférieure à 0,1 mPa, millipascals). Le pendule de torsion cryogénique est illustré dans la figure qui ouvre cette pièce. Une tige de tungstène de 16,5 cm de long et 30 µm d’épaisseur est utilisée, dont la constante de torsion élastique est κ = 8,7 × 10⁻⁸ N m/rad. Huit petits cylindres d’une masse de 9,5 grammes sont utilisés comme masse d’essai, quatre en niobium (pureté 99,9 %) et quatre en cuivre, dans la configuration indiquée sur la figure ; Son bras de levier est r = 2,3 cm et son moment d’inertie est I = 8,6 × 10⁻⁵ kg m². La fréquence de résonance du pendule de torsion est ω₀ = 2π × 5,1 mHz. La configuration des masses tests se comporte comme un dipôle gravitationnel face à 38 grammes de Nb* à 38 grammes de Cu ; Si le principe d’équivalence faible est respecté, il ne devrait y avoir aucun couple et le mouvement angulaire du balancier devrait être celui d’un oscillateur harmonique autour de zéro. Les résultats montrent un couple oscillatoire de l’ordre du femtonewton par mètre ; Sa fréquence est supérieure à la fréquence de résonance, à cause du bruit, mais en moyenne elle est compatible avec une oscillation autour de zéro. Le couple en phase sur la balance est estimé à τ(in) = −1,3 ± 5,2 fN m, et déphasé à τ(out) = −2,1 ± 5,2 fN m, les deux étant compatibles avec zéro, comme le prédit le WEP.