La physique moderne a un problème. Ses deux piliers principaux sont la théorie quantique et la théorie de la relativité générale d’Einstein, et pourtant ces deux cadres semblent incompatibles. La théorie quantique décrit la nature en termes de particules quantiques discrètes et d’interactions, tandis que la relativité générale traite la gravité comme une courbure continue de l’espace-temps. Une véritable unification exige que la gravité elle-même soit quantique, médiée par des particules appelées « gravitons ». Cependant, détecter ne serait-ce qu’un seul graviton a longtemps été considéré comme fondamentalement impossible. En conséquence, le problème de la gravité quantique est resté largement théorique, sans « théorie du tout » expérimentalement fondée en vue.
Cette situation a changé très récemment. En 2024, Igor Pikovski, professeur assistant à l’Institut de Technologie Stevens, et son équipe ont publié une découverte dans Nature Communications montrant que la détection de gravitons est, en fait, possible. « Pendant longtemps, la détection de gravitons était considérée comme tellement désespérée qu’elle n’était même pas traitée comme un problème expérimental », explique Pikovski. « Ce que nous avons découvert, c’est que cette conclusion ne tient plus à l’ère de la technologie quantique moderne. »
La clé est une nouvelle perspective qui synthétise deux avancées expérimentales majeures. La première est la détection des ondes gravitationnelles : des ondulations de l’espace-temps produites par des collisions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons. Prédites par Einstein il y a plus d’un siècle, les ondes gravitationnelles ont été observées pour la première fois en 2015 et sont maintenant détectées régulièrement, ouvrant une fenêtre entièrement nouvelle sur l’univers. Si la gravité obéit finalement à la physique quantique, les ondes gravitationnelles seraient décrites comme de vastes collections de gravitons agissant de concert, apparaissant indiscernables d’une onde classique dans les observations actuelles.
La deuxième avancée provient de l’ingénierie quantique. Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont appris à refroidir, contrôler et mesurer des systèmes de plus en plus massifs dans des états quantiques authentiques, faisant sortir les phénomènes quantiques bien au-delà de l’échelle atomique. Dans une expérience marquante en 2022, le laboratoire de Jack Harris, professeur à l’Université de Yale, a démontré le contrôle et la mesure de quanta vibrationnels individuels d’hélium superfluide pesant plus d’un nanogramme.
Pikovski a réalisé que si ces deux capacités sont combinées, il devient possible d’absorber et de détecter un seul graviton ; une onde gravitationnelle passante peut, en principe, transférer exactement un quantum d’énergie (c’est-à-dire un seul graviton) dans un système quantique suffisamment massif. Le décalage d’énergie qui en résulte est faible mais peut être résolu. La vraie difficulté est que les gravitons n’interagissent presque jamais avec la matière. Mais pour des systèmes quantiques à l’échelle du kilogramme – plutôt que microscopique – exposés à des ondes gravitationnelles intenses provenant de fusions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, absorber un seul graviton devient possible.
S’appuyant sur cette découverte récente, Pikovski et Harris se sont maintenant associés pour construire la première expérience au monde explicitement conçue pour détecter des gravitons individuels. Avec le soutien de la W. M. Keck Foundation, l’équipe développe un résonateur à hélium superfluide à l’échelle du centimètre, approchant du régime requis pour absorber des gravitons individuels à partir d’ondes gravitationnelles astrophysiques.
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« Nous avons déjà les outils essentiels », affirme Harris. « Nous pouvons détecter des quanta individuels dans des systèmes quantiques macroscopiques. Maintenant, c’est une question de mise à l’échelle. »
L’expérience vise à immerger un résonateur cylindrique à l’échelle du gramme dans un conteneur d’hélium superfluide, refroidir le système à son état fondamental quantique, et utiliser des mesures basées sur des lasers pour détecter des phonons individuels – les quanta vibrationnels en lesquels les gravitons sont convertis. Le détecteur s’appuie sur des systèmes déjà opérationnels dans le laboratoire Harris, mais les pousse dans un nouveau régime, augmentant la masse au niveau du gramme tout en préservant une sensibilité quantique exquise. Démontrer le fonctionnement réussi de cette plate-forme établira un modèle pour une prochaine itération qui pourra être mise à l’échelle à la sensibilité requise pour la détection directe de gravitons, ouvrant une nouvelle frontière expérimentale en gravité quantique.
« La physique quantique a commencé avec des expériences sur la lumière et la matière », souligne Pikovski. « Notre objectif maintenant est d’introduire la gravité dans ce domaine expérimental, et d’étudier les gravitons comme les physiciens ont étudié les photons il y a plus d’un siècle. »
Source : Stevens IT
