La gravité agit-elle de la même manière sur toutes les particules de l'univers ou existe-t-il des différences entre la matière normale et la matière exotique ? C'est la question à laquelle se penchent Anna Soter et son équipe à l'ETH Zurich et à l'Institut Paul Scherrer PSI. « Nous avons franchi une étape importante pour mener une expérience passionnante sur ce sujet », explique la professeure de physique : « Nous voulons mesurer comment les muons interagissent avec la gravité. »

Pour cela, l’équipe de recherche utilise un atome exotique appelé myonium. Il ressemble à un atome d’hydrogène, mais son noyau ne contient pas de proton, mais un antimyon.

Toute la matière qui nous entoure – y compris nous-mêmes – est constituée de protons, de neutrons et d’électrons. Les physiciens appellent cela la première génération de particules. Il existe par ailleurs deux autres générations composées de particules plus lourdes. Le muon, par exemple, est le frère plus lourd de l’électron et appartient à la deuxième génération.

Au PSI, les chercheurs produisent artificiellement des muons et leurs antiparticules dans un grand accélérateur de particules. Lorsqu’un antimuon chargé positivement s’associe à un électron chargé négativement, il en résulte un atome de myonium neutre.

Le modèle standard de la physique des particules décrit la structure générationnelle de la matière. « Mais nous, physiciennes et physiciens, ne comprenons pas encore pourquoi ces générations supplémentaires existent », explique Soter : « Et pourquoi y en a-t-il trois au total ? » Une autre question particulièrement passionnante est de savoir si les masses croissantes des particules des deuxième et troisième générations se comportent de la même manière vis-à-vis de la gravité que les particules plus légères de la première génération. 

Le mystérieux principe d’équivalence

Pour la matière ordinaire, tous les corps tombent à la même vitesse en un point donné d’un champ gravitationnel. Cette universalité de la chute libre avait déjà été reconnue par Galilée et Isaac Newton, et, en tant que principe d’équivalence entre la masse gravitationnelle et la masse d’inertie, elle constitue l’un des piliers de la théorie de la gravitation d’Albert Einstein.

Ce principe mystérieux n’a toutefois pu être démontré jusqu’à présent que pour la matière normale ou l’antimatière de première génération. En mesurant la gravité exercée par le myonium, les chercheurs étudieraient pour la première fois la chute d’une particule de deuxième génération. « Le myonium, particule exotique, s’y prête très bien, car c’est un atome neutre », explique Soter : « En effet, pour observer la chute, il faut quelque chose de neutre. » Dans le cas d’une particule chargée, l’effet faible de la gravité serait masqué par les champs électromagnétiques de diffusion. 

Mais il existe également de grandes difficultés : les muons se désintègrent très rapidement, en seulement 2,2 microsecondes. Et les sources de myonium utilisées jusqu’à présent produisaient des atomes qui se dispersaient à différentes vitesses dans toutes les directions et qui n’étaient donc pas adaptés à des expériences de précision. 

C’est au sein de l’infrastructure suisse de recherche en physique des particules CHRISP, au PSI, que les chercheurs ont désormais réalisé une percée. « Nous avons réussi à produire des atomes de myonium dans un état froid, ce qui rend l’expérience gravitationnelle possible », explique Soter : « Froid » signifie dans ce cas que les atomes se propagent à une vitesse similaire, presque parallèlement les uns aux autres. » 

Le nouveau faisceau de myonium est en outre d’une intensité exceptionnelle – ce qui est déterminant pour des mesures précises. Pour mesurer la gravité, les chercheurs observent la chute des atomes. Mais l’effet de la gravité est si infime que les atomes doivent tomber le plus longtemps possible pour permettre une mesure précise. « Comme les atomes de myonium ont une durée de vie très courte, nous devons partir d’un grand nombre d’entre eux afin qu’un nombre suffisant survive assez longtemps pour pouvoir être mesuré après quelques microsecondes de chute », explique Soter.

Le liquide quantique donne un coup de pouce

Ils y sont parvenus grâce à une nouvelle méthode de production d’atomes de myonium, comme le rapportent les chercheurs dans la revue spécialisée Nature Physics. « Pour ce faire, nous avons utilisé de l’hélium supraconducteur refroidi jusqu’à une température proche du zéro absolu, soit moins 273 degrés Celsius », explique Jesse Zhang, premier auteur de l’étude : « L’hélium supraconducteur est ce qu’on appelle un liquide quantique, dans lequel les atomes d’hélium individuels perdent leur identité et qui ne tolère aucune impureté en son sein. »

La méthode : les antimions générés dans l’accélérateur du PSI sont projetés dans une fine couche d’hélium supraconducteur où ils sont ralentis. Lorsqu’un antimyon rencontre un électron libre dans l’hélium, il se forme un atome de myonium doté d’un potentiel chimique positif, qui est pour ainsi dire expulsé du liquide. Lorsque le myonium atteint la surface, le potentiel chimique est converti en énergie cinétique. L’atome reçoit une impulsion et est projeté perpendiculairement hors du liquide. « Nous utilisons donc le potentiel chimique comme un canon à atomes », explique Zhang. 

Il est essentiel que les atomes de myonium puissent se déplacer librement à travers le liquide quantique à une certaine vitesse et sans collision, sinon, compte tenu de leur durée de vie extrêmement courte, ils n’atteindraient jamais la surface. « Pour nos expériences, nous dépendons en outre de l’accélérateur de particules du PSI. Il génère les faisceaux de muons continus les plus intenses au monde », précise Soter : « Grâce à cette source de haute qualité, un très grand nombre d’atomes de myonium peuvent être créés. »

La gravité modifie les figures d’interférence

Dans une prochaine étape, les chercheurs vont désormais mettre au point l’appareil avec lequel ils souhaitent mesurer l’effet de la gravité sur le faisceau de myonium – ce qu’on appelle un interféromètre. Celui-ci exploite les propriétés ondulatoires des atomes pour générer un motif d’interférence. Le minuscule décalage de ce motif dû à la gravité terrestre permet de déterminer l’effet gravitationnel sur les muons. « Nous espérons pouvoir tester cette méthode pour la première fois cette année avec le faisceau d’atomes, et si tout se passe bien, l’expérience gravitationnelle proprement dite devrait suivre dans deux ou trois ans », explique Soter. 

Le nouveau faisceau de myonions devrait en outre permettre de mener de nouvelles expériences en spectroscopie laser. Il serait ainsi possible de mesurer les myonions avec beaucoup plus de précision qu’auparavant. Cela permettrait de tirer des conclusions sur la masse du muon et sur les constantes fondamentales de la nature, ce qui constitue également un objectif futur du groupe de recherche.

À l’avenir, le faisceau de myonium devrait gagner encore en intensité. Grâce aux nouveaux faisceaux de muons à haute intensité (HIMB), qui font partie de la mise à niveau IMPACT au PSI, les chercheurs pourront générer un faisceau contenant cent fois plus d’atomes de myonium qu’auparavant. Soter et son équipe pourront ainsi augmenter encore la sensibilité de l’expérience gravitationnelle. « C’est une évolution très prometteuse pour les mesures de précision, car notre mesure est limitée sur le plan statistique », explique Soter.

Mais que se passerait-il si la gravité agissait différemment sur cet atome exotique par rapport à la matière ordinaire ? « Ce serait en effet surprenant, et, parmi d’autres théories, cela pourrait indiquer l’existence d’une cinquième force », explique Mme Soter. Jusqu’à présent, la physique part du principe qu’il existe quatre interactions fondamentales : la gravitation, l’électromagnétisme, l’interaction forte et l’interaction faible. Une cinquième force a certes été maintes fois évoquée, mais elle n’a encore jamais été prouvée. 

Une telle preuve n’est toutefois pas l’objectif premier de Soter : « Je suis totalement impartiale », dit-elle : « Je souhaite simplement mesurer pour la première fois si l’équivalence entre la masse gravitationnelle et la masse d’inertie s’applique également à la deuxième génération de particules – cela seul constitue déjà un travail assez inspirant. »

Ces recherches bénéficient du soutien du Pôle de recherche national « Muoniverse ».