Le résultat final de MICROSCOPE pour l’étude du principe d’équivalence faible

Le satellite français MICROSCOPE a étudié le principe d’équivalence faible (WEP) entre 2016 et 2018 avec ses instruments jumeaux T-SAGE, appelés SUEP et SUREF. Il a été utilisé pour estimer le 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. A publié son premier résultat pour le paramètre Eötvös en 2017, SUEP a estimé η(Ti; Pt) = (−1 ± 13) × 10⁻¹⁵, pour une référence SUREF η(Pt; Pt) = (4 ± 4) × 10⁻ ¹⁵, tous deux à 68 % CL (LCMF, 4 décembre 2017). Son résultat final a été publié en 2022 dans Lettres d’examen physiqueSUEP estimé η(Ti; Pt) = (−1,5 ± 2,3 (stat) ± 1,5 (syst)) × 10⁻¹⁵ = (−1,5 ± 2,8) × 10⁻¹⁵, pour une référence SUREF η(Pt,Pt ) = (0,0 ± 1,1 (stat) ± 2,3 (syst)) × 10⁻¹⁵ = (0,0 ± 2,6) × 10⁻¹⁵, tous deux à 68 % CL. L’estimation de η(Ti; Pt) = (−1,5 ± 2,8) × 10⁻¹⁵ de SUEP est compatible avec zéro, le WEP étant respecté ; Ce résultat constitue le nouveau record d’une limite du principe d’équivalence faible. MICROSCOPE a atteint son objectif de conception et pour améliorer son niveau il faudra recourir à de futures missions spatiales (il y en a déjà en projet).

Vous vous demandez peut-être la signification de l’acronyme : MICROSCOPE (Micro-satellite à traînée compensée pour l’observation du principe d’équivalence), T-SAGE (Accéléromètre à double espace pour expérience de gravité), SUEP (Système de test Universel d’Equivalence des Parts) et SUREF (Système de test Universel de Référence). Dans les deux instruments, les masses d’essai sont deux cylindres creux concentriques ; pour SUEP, l’un d’un alliage platine:rhodium (Pt∶Rh à 90∶10) et l’autre d’un alliage titane:aluminium:vanadium (Ti:Al:V à 90∶6∶4), et pour SUREF, ils sont tous deux identiques à un alliage platine:rhodium (90:10 Pt:Rh). L’objectif est de maintenir les deux masses en équilibre relatif par rapport à un accéléromètre différentiel ultrasensible, pour lequel des forces électrostatiques sont appliquées ; toute force appliquée est une indication d’un non-respect du WEP. Grâce à MICROSCOPE, des limites ont également été publiées pour l’invariance de Lorentz, pour les interactions de cinquième force et de type caméléon, et même pour les particules ultralégères candidates à la matière noire.

La mission MICROSCOPE 2 est actuellement en cours de planification et promet d’atteindre une valeur pour le paramètre Eötvös de η ∼ 10⁻¹⁷ au cours de la prochaine décennie. Il existe une autre mission spatiale similaire en développement, STE-QUEST, avec un objectif similaire, mais utilisant un double interféromètre atomique avec des masses d’essai de rubidium et de potassium. L’article est MICROSCOPE Collaboration, « Mission MICROSCOPE : Résultats finaux du test du principe d’équivalence », Physical Review Letters 129 : 121102 (14 septembre 2022), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.121102, arXiv:2209.15487 [gr-qc] (30 septembre 2022) ; Informations plus informatives dans Philippe Brax, « Le satellite confirme le principe de la chute », Physique 15 : 94 (14 septembre 2022) [enlace]. Je recommande l’article de synthèse de Joel Bergé, “MICROSCOPE’s view at gravitation”, Reports on Progress in Physics 86 : 066901, doi : 10.1088/1361-6633/acd203.

Pour étudier le principe d’équivalence faible (WEP), il suffit de laisser tomber deux corps d’essai et de comparer leur chute libre. L’avantage de l’espace est que la chute libre peut durer longtemps, puisqu’elle se produit en orbite autour de la Terre (les chutes les plus longues en MICROSCOPE duraient une semaine, alors que sur terre elles auraient duré quelques secondes). L’idée du MICROSCOPE est de forcer deux masses d’essai cylindriques à rester centrées à l’aide de forces électrostatiques. Pour cela, on utilise un accéléromètre électrostatique différentiel ultrasensible, composé de deux cylindres coaxiaux et concentriques constitués de matériaux différents (SUEP). L’accélération agissant sur les masses d’essai est la gravité terrestre (flèche rouge sur la figure). La projection de ladite accélération sur l’axe principal des masses cylindriques est mesurée (flèche noire). La différence de potentiel électrique (tension) appliquée aux deux cylindres pour maintenir leurs axes alignés en équilibre montrera une oscillation due à la modulation du champ gravitationnel terrestre lors de chaque orbite de la Terre ; aux points (A) et (C) le signal sera nul, tandis qu’aux points (B) et (D) on observera un signal maximum mais opposé. Si le signal mesuré est compatible avec une différence non nulle des accélérations ressenties par les deux masses, cela impliquera un non-respect du WEP.

Le résultat final a été obtenu après 465 orbites du satellite MICROSCOPE à 710 km au-dessus de la surface de la Terre (à environ 7000 km de son centre), entre juillet 2016 et octobre 2018. Cette figure montre les estimations du paramètre d’Eötvös (η, bien qu’en le chiffre est appelé δ) pour chacun des “segments” de collecte de données à la fois dans l’instrument principal SEUP (panneau de gauche) et dans l’instrument de référence SUREF (panneau de droite). Deux algorithmes d’analyse indépendants ont été utilisés, ADAM (Analyse de données accélérométriques pour MICROSCOPE), les points orange sur la figure et M-ECM (Maximisation des conditions d’espérance modifiée), points bleus ; Les résultats sont très similaires avec les deux méthodes. Les barres d’incertitude sont dues aux effets thermiques et sont proportionnelles à la durée de chaque « segment ». L’estimation du paramètre η(Ti; Pt) = (−1 ± 13) × 10⁻¹⁵, plus que d’atteindre son objectif, montre que la mission a été un grand succès.

MICROSCOPE a également réussi à borner les paramètres (|α|, λ) pour une correction de type Yukawa pour le potentiel newtonien, U(r) = −GM/r (1 + α exp(−r/λ) . Le panneau de gauche La figure montre le résultat sous l’hypothèse que la charge de Yukawa est égale au nombre de baryon, q = B. Si cette hypothèse est relâchée, les limites sont bien pires, comme l’illustre le panneau de droite de la figure. accompagné d’autres limites obtenues à la surface de la Terre, ceux qui proposent ce type de gravité modifiée doivent sans aucun doute tenir compte de ces résultats.

La théorie des cordes, en plus du graviton de spin 2, prédit l’existence du dilaton de spin 0. Le dilaton donnerait naissance à une cinquième force gravitationnelle, paramétrée par cinq paramètres de couplage ; Il existe plusieurs combinaisons de ces paramètres qui permettent de réduire leur nombre à deux, voire à un seul. MICROSCOPE a fixé des limites pour ces deux couplages de dilaton, dans l’hypothèse où il n’a pas de masse (panneau de gauche de la figure), et pour sa masse et un couplage, dans le cas contraire (panneau de droite de la figure).

Les champs caméléons sont des champs scalaires responsables d’une hypothétique cinquième force dont la masse des particules dépend de la densité énergétique de l’environnement ; sa masse peut donc être différente près de la Terre que dans le milieu intergalactique. Ces champs sont caractérisés, au minimum, par une échelle d’énergie (Λ), une constante de couplage (β) et un exposant (n). Ces champs pourraient conduire à une non-conformité WEP, que la masse soit blindée (projeté) ou non (non filtré) par l’environnement. Les limites dans les deux cas sont différentes ; Le panneau de droite montre les limites obtenues par les instruments MICROSCOPE pour n = 1 dans le plan (Λ, β). Les régions colorées sont les limites d’exclusion obtenues par d’autres expériences (interférométrie atomique en violet, Eöt-Wash en vert, effet Casimir en jaune, limites astrophysiques en bleu, lentille gravitationnelle en rose et expériences atomiques de précision en orange. Ici, le MICROSCOPE fournit les limites de des intérêts inférieurs à ceux des autres cas.

Bref, les expériences scientifiques spatiales nous offrent toujours de nombreuses informations pertinentes. Non seulement pour quoi ils sont conçus, mais aussi pour d’autres problèmes connexes. Le MICROSCOPE ne fait pas exception. Je pense donc que nous devrions tous espérer que l’une des deux missions en développement, MICROSCOPE 2 ou STE-QUEST, finisse par être approuvée. L’espace autour de la Terre se remplit de satellites commerciaux ; Avant qu’ils ne laissent plus de place aux satellites scientifiques, il faudrait miser sur ces derniers.