Rayonnement Fossile Test Pour La Théorie De Cordes ?

[Guest anais]

Le rayonnement fossile sera-t-il un test pour la théorie des cordes ?

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

 

Un des grands problèmes mobilisant l'attention et l'énergie de la communauté des physiciens est de dépasser les limites du modèle standard des interactions fondamentales. Une des voies prometteuses pour cela est d'étudier les possibles variations des constantes fondamentales de la Nature, comme celle de la fameuse constante de structure fine intervenant en QED. Certaines théories, notamment la théorie des cordes, contiennent naturellement des mécanismes responsables de variations dans le temps et l'espace de cette constante. Deux chercheurs américains ont proposé que le rayonnement fossile soit responsable d'un phénomène mesurable nous permettant de mettre en évidence ces variations !

 

Benjamin Wandelt et Rishi Khatri, de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, viennent d'avoir une idée brillante. S'ils ont raison, il devrait être possible non seulement de mettre en évidence une variation dans le temps de la constante de structure fine, mais aussi de le faire sur une période très ancienne de l'histoire de l'Univers, celle des âges sombres.

 

 

Leur méthode consisterait à mesurer, à l'aide du Long Wavelength Array (LWA), un télescope en cours de construction dans l'état du Nouveau Mexique aux Etats Unis, la raie d'absorption à 21 cm de l'hydrogène atomique neutre, présent partout dans l'Univers avant ce qu'on appelle la réionisation.

 

Pourquoi ?

 

Tous les processus d'émission et d'absorption de la lumière à l'échelle atomique et moléculaire sont déterminés par les lois de l'électrodynamique quantique, la QED. Or, d'après celle-ci, les formules permettant de calculer quelle quantité de lumière est émise à une longueur d'onde donnée font toutes intervenir une constante fondamentale, la fameuse constante de structure fine α. Si donc, celle-ci n'était en fait pas si constante que ça, des mesures de l'émission caractéristique d'un atome ou d'une molécule adéquate devraient montrer une variation des valeurs attendues au cours du temps.

 

Cette stratégie était déjà à la base d'études menées sur l'absorption, par des nuages de gaz, de la lumière émise par les quasars à grands décalages vers le rouge. Jusqu'ici de telles études sont restées inconclusives, malheureusement.

 

Dans le cas considéré, une transition particulière dans les niveaux d'énergies hyperfins de l'atome d'hydrogène, se trouve être particulièrement sensible à toute variation de alpha. C'est précisément cette célèbre transition produite par le basculement entre la position parallèle ou anti-parallèle du spin de l'électron par rapport au spin du noyau de l'atome d'hydrogène. Cela est à l'origine de la fameuse raie d'émission à 21 cm, ayant permis à Oort de cartographier l'hydrogène dans notre Galaxie et de découvrir sa forme en spirale !

Une des multiples preuves de la théorie du Big Bang consiste à observer l'effet du rayonnement fossile sur les atomes et molécules présents dans l'Univers. En effet, si l'Univers évolue bien dans le temps selon cette théorie, la température du rayonnement fossile devait être plus élevée dans le passé. Les photons le composant étant plus énergétiques, ils étaient susceptibles d'exciter certains niveaux d'énergies d'une molécule ou d'un atome correspondant précisément à la leur. Comme regarder loin c'est regarder tôt, il devrait être possible d'observer à une date donnée, correspondant à une température donnée, ces effets d'absorptions. Cela a bien été le cas avec l'atome de carbone neutre et les mesures sont en assez bon accord avec les prédictions numériques.

 

Entre 10 et 100 millions d'années après le Big Bang, le taux d'absorption des photons du rayonnement fossile cosmologique, le CMB, présente un maximum correspondant précisément à la période où l'énergie des photons le composant est comparable aux niveaux d'énergies de la transition hyperfine de l'atome d'hydrogène. Il y a donc une "raie" d'absorption d'une certaine largeur présente dans le CMB et observable aujourd'hui en tenant compte de son décalage spectral vers le rouge.

 

Si la constante de structure fine a varié pendant cette période, comprise entre la recombinaison et la réionisation, elle est susceptible de laisser une empreinte de son évolution dans cette "raie".

 

Il y a quand même un problème important à résoudre. Il existe un fond radio produit par les galaxies, en particulier la nôtre, qui recouvre exactement la bande de longueur d'onde où le signal recherché peut être détecté sur Terre. Il faudra donc, non seulement faire des mesures très précises, mais aussi modéliser ce signal de fond pour le soustraire de celui mesuré. Ce ne sera pas facile, mais Benjamin Wandelt et Rishi Khatri pensent qu'en moins de dix ans, une précision de 0,1% sera quand même atteinte.

 

La nucléosynthèse et d'autres caractéristiques du CMB avaient déjà permis de poser des bornes supérieures pour la variation dans le temps de la constante de structure fine, seulement quelques %. La fenêtre d'observation ainsi proposée devrait permettre d'étudier de possibles variations d'amplitudes inférieures, et pour des périodes plus anciennes que celles sondées avec les quasars.

 

La théorie des cordes, en introduisant des dimensions supplémentaires de tailles variables dans le temps et un champ scalaire appelé le dilaton, fait partie des théories prédisant des variations possibles de la constante de structure fine. Qui peut donc prédire ce que le LWA révelera ?

SUITE ....

[Guest anais]

Interview : mesure inégalée de la constante de structure fine !

Par Dominique Selse, Tech&Co

 

Les scientifiques viennent de réaliser la mesure la plus précise d'alpha. Alpha ? La constante de structure fine, un nombre sans dimension qui représente l'intensité de la force électromagnétique, l'une des interactions fondamentales de l'univers.

 

Explications et entretien exclusif avec Gerald Gabrielse, physicien de Harvard à la tête de l'équipe qui a publié ce résultat.

 

C'est l'une des constantes fondamentales de l'univers. Apha, appelée constante de structure fine, détermine la force des interactions entre les particules chargées et le champ magnétique. Une formule : e2/c hbar, où e est la charge électrique de l'électron, c la vitesse de la lumière et hbar la constante de Planck divisée par 2π. Alpha est égale à environ 1/137, et se présente comme un nombre sans dimension, encore plus fondamental que e, la constante de gravité ou même la vitesse de la lumière. Gerald Gabrielse et son équipe de l'université d'Harvard viennent d'améliorer d'un facteur 10 la précision de cette mesure (1) .

 

On calcule alpha en mesurant g, le moment magnétique de l'électron, et en introduisant cette valeur dans les équations de l'électrodynamique quantique (QED, pour « quantum electrodynamics »), la théorie qui décrit les interactions électromagnétiques entre particules chargées et particules virtuelles constitutives du vide. Résultats : les meilleures mesures de g comportaient jusqu'ici une incertitude de 4 x 10-12 (2) .

 

Les physiciens de Harvard on d'abord amélioré la mesure de g : ils ont étudié le mouvement d'un électron pris individuellement et tenu dans une sorte de piège composé par des électrodes chargées et des spires magnétiques ; le « piège » entraîne l'électron dans un mouvement circulaire, et provoque à certains endroits de l'orbite des oscillations dans la direction du champ magnétique. Schématiquement les transitions d'énergie que cela génère permettent de déduire g. Avec ce dispositif, la précision a été améliorée de presque 0,76 x 10-12 .

 

En liaison avec des équipes de l'université Cornell et des laboratoires de Riken au Japon, et en introduisant cette nouvelle valeur de g dans les équations QED, les chercheurs de Harvard ont ensuite réussi à calculer la nouvelle valeur d'alpha. Aujourd'hui 10 fois plus précise qu'hier : quelles conséquences ?

 

Entretien exclusif avec Gerald Gabrielse

 

Propos recueillis par Tech&Co pour Futura Sciences

Gerald Gabrielse est Leverett Professor of Physics, Harvard University

 

« Les atomes dans l'univers sont un petit peu moins liés entre eux que ce que nous pensions auparavant… »

 

Futura Sciences : Quelle est la valeur de cette nouvelle mesure et de sa précision ?

Gerald Gabrielse : « Notre nouvelle mesure détermine de meilleure façon la constante de structure fine. Avec une précision environ 10 fois supérieure à celle qui a jamais été mesurée, notre expérience fait mieux que toutes les méthodes rivales… »

 

Futura Sciences : En quelques mots, comment avez-vous pu obtenir ce résultat ?

Gerald Gabrielse : « On est parvenu à mesurer beaucoup précisément qu'auparavant le magnétisme intrinsèque de l'électron, g. C'est, en quelque sorte, la taille de l'aimant que contient en lui-même un électron. Cette nouvelle mesure, en même temps que des calculs eux-mêmes très précis, détermine la constante de structure fine beaucoup mieux que les méthodes alternatives utilisant des atomes de césium et de rubidium.

 

Nous avons travaillé en créant un atome artificiel, dans lequel un électron individuel s'est trouvé lié (en termes d'énergie) avec notre dispositif expérimental. Le dispositif a joué ici le rôle du proton dans un atome ordinaire. La principale avancée dans cette “manip” est que nous fumes capables de distinguer clairement dans quel état d'énergie se trouvait l'électron à tous les moments cruciaux de nos mesures. »

 

Futura Sciences : Quel est l'enjeu de ces résultats ?

Gerald Gabrielse : « Déjà, c'est quand même un exploit d'arriver, en 2006, à mesurer deux des constantes les plus fondamentales de l'univers en même temps et avec une telle amélioration de la précision ! L'enjeu d'alpha est capital. Car c'est d'abord un membre éminent de la famille des constantes fondamentales, que l'on utilise directement en science, bien sûr, mais aussi indirectement et sans le savoir dans la technologie et même dans la vie de tous les jours…

 

Scientifiquement, mesurer le magnétisme intrinsèque de l'électron comme nous le faisons est une sorte de sommet à gravir pour bien comprendre la structure interne de l'électron. Cela établit une bonne base pour des tests très précis de la théorie de l'électrodynamique quantique. Nous pourrions aussi envisager de redéfinir le kilogramme en nous passant du kilogramme réel qui est pieusement conservé au Bureau International des Poids et Mesures à Meudon, près de Paris.

 

Enfin, la constante de structure fine est une mesure de la façon dont les atomes sont étroitement liés entre eux. Or notre nouvelle mesure nous dit tout simplement que tous les atomes de l'univers sont un petit peu moins liées entre eux que ce que nous pensions auparavant… »

 

(1) : New Determination of the Fine Structure Constant from the Electron g Value and QED, Phys. Rev. Lett. 97 030802

(2) : New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron, Phys. Rev. Lett. 97 030801

 

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