Igor Pikovski, physicien au Stevens Institute of Technology, et ses collègues développent la première expérience conçue pour capturer des gravitons individuels – des particules que l’on croyait autrefois fondamentalement indétectables – annonçant une nouvelle ère dans la recherche sur la gravité quantique.
La physique moderne a un problème : ses deux principaux piliers sont la théorie quantique et la théorie de la relativité générale d’Einstein, pourtant ces deux cadres semblent incompatibles.
La théorie quantique décrit la nature en termes de particules et d’interactions quantiques discrètes, tandis que la relativité générale traite la gravité comme une courbure douce de l’espace et du temps.
Une véritable unification nécessite 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 aucune théorie expérimentale fondée sur tout en vue.
En 2024, le Dr Pikovski et ses collègues de l’Institut de technologie Stevens, de l’Université de Stockholm, de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa et de Nordita ont montré que la détection des gravitons est effectivement possible.
« Pendant longtemps, la détection des gravitons a été considérée comme si désespérée qu’elle n’a pas du tout été traitée comme un problème expérimental », a déclaré le Dr Pikovski.
« Ce que nous avons découvert, c’est que cette conclusion n’est plus valable à l’ère de la technologie quantique moderne. »
La clé réside dans une nouvelle perspective qui synthétise deux avancées expérimentales majeures.
Le premier est la détection des ondes gravitationnelles : des ondulations dans l’espace-temps produites par des collisions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons.
La deuxième avancée vient 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 de véritables états quantiques, portant ainsi les phénomènes quantiques bien au-delà de l’échelle atomique.
Dans une expérience historique en 2022, une équipe dirigée par le professeur Jack Harris de l’Université de Yale a démontré le contrôle et la mesure de quanta vibrationnels individuels d’hélium superfluide pesant plus d’un nanogramme.
Le Dr Pikovski et ses co-auteurs ont réalisé que si ces deux capacités sont combinées, il devient possible d’absorber et de détecter un seul graviton ; une onde gravitationnelle qui passe peut, en principe, transférer exactement un quantum d’énergie (c’est-à-dire un seul graviton) dans un système quantique suffisamment massif.
Le changement 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 les systèmes quantiques à l’échelle du kilogramme – plutôt qu’à l’échelle microscopique – exposés à d’intenses ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, l’absorption d’un seul graviton devient possible.
S’appuyant sur cette découverte récente, le Dr Pikovski et le professeur Harris se sont associés pour construire la première expérience au monde explicitement conçue pour détecter des gravitons individuels.
Avec le soutien de la Fondation WM Keck, ils développent un résonateur à hélium superfluide à l’échelle centimétrique, se rapprochant du régime requis pour absorber les gravitons uniques des ondes gravitationnelles astrophysiques.
« Nous disposons déjà des outils essentiels. Nous pouvons détecter des quanta uniques dans des systèmes quantiques macroscopiques. C’est maintenant une question de mise à l’échelle », a déclaré le professeur Harris.
L’expérience vise à immerger un résonateur cylindrique à l’échelle du gramme dans un conteneur d’hélium superfluide, à refroidir le système jusqu’à son état quantique fondamental et à utiliser des mesures laser pour détecter des phonons individuels – les quanta vibrationnels dans lesquels les gravitons sont convertis.
Le détecteur s’appuie sur des systèmes déjà opérationnels en laboratoire, mais les pousse dans un nouveau régime, échelonnant 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 adaptée à la sensibilité requise pour la détection directe des gravitons, ouvrant ainsi une nouvelle frontière expérimentale dans le domaine de la gravité quantique.
« La physique quantique a commencé avec des expériences sur la lumière et la matière », a déclaré le Dr Pikovski.
« Notre objectif est désormais d’introduire la gravité dans ce domaine expérimental et d’étudier les gravitons de la même manière que les physiciens ont étudié les photons pour la première fois il y a plus d’un siècle. »
