16 mai 2023
Deux théories incompatibles
Dans notre compréhension actuelle, et à son niveau le plus fondamental, la physique est basée sur deux théories : le modèle standard de la physique des particules qui décrit l’électromagnétisme et les interactions nucléaires (forte et faible), et la relativité générale qui rend compte de tous les phénomènes gravitationnels. Malgré le succès écrasant de ces deux théories dans la description d’une grande partie de l’univers observé, un certain nombre de questions restent ouvertes, tant sur le plan théorique qu’expérimental. D’un point de vue théorique, le modèle standard est une théorie quantique des champs, tandis que la relativité générale, ainsi que de nombreuses autres théories alternatives de la gravitation, sont classiques. En tant que telles, elles sont fondamentalement incomplètes, car elles n’incluent pas les effets quantiques. La plupart des physiciens s’accordent à dire que la relativité générale et le modèle standard ne sont que des approximations à basse énergie d’une théorie plus fondamentale qui reste à découvrir et qui fournirait une description unifiée de toutes les interactions.
La plupart des tentatives d’élaboration d’une telle théorie unifiée conduisent à de minuscules déviations des principes fondamentaux de la relativité générale et/ou de le modèle standard, en particulier du principe d’équivalence d’Einstein (EEP), à un niveau de précision généralement inconnu. L’objectif des expériences de physique fondamentale de haute précision, comme celles conduites par notre équipe, est de rechercher les premiers indices expérimentaux de telles modifications en utilisant les performances exceptionnelles fournies par la métrologie moderne.
Le principe d’équivalence d’Einstein
Le principe d’équivalence d’Einstein, publié en 1911 par A. Einstein [1], confère à la gravitation une nature géométrique. Ce principe implique que la gravité peut être identifiée à la géométrie de l’espace-temps, décrite mathématiquement par un tenseur symétrique d’ordre 2 : la métrique de l’espace-temps. Plus précisément, le principe d’équivalence d’Einstein implique qu’il n’existe qu’une seule métrique de l’espace-temps à laquelle toute la matière se couple de manière minimale [2]. En pratique, cela signifie que les équations du mouvement de la matière peuvent être dérivées de l’action du modèle standard des particules dans lequel la métrique de Minkowski est remplacée par la métrique de l’espace-temps.
D’un point de vue théorique, cela permet de dériver les effets de la gravitation de la courbure de l’espace-temps. En particulier, cela implique que les corps ponctuels suivent des géodésiques de cet espace-temps. De plus, les horloges idéales mesurent l’invariant quadratique de la métrique de l’espace-temps . De même, la propagation des ondes électromagnétiques est régie par les équations de Maxwell dans lesquelles les dérivées standardes sont remplacées par des dérivées covariantes. À l’approximation de l’optique géométrique, cela implique que les rayons lumineux sont décrits par des géodésiques nulles.
Les tests du principe d’équivalence d’Einstein
D’un point de vue phénoménologique, trois aspects du principe d’équivalence d’Einstein peuvent être testés [3,4] : (i) l’universalité de la chute libre, (ii) l’invariance locale de Lorentz et (iii) l’invariance locale de position.
L’universalité de la chute libre stipule que le mouvement d’un corps ponctuel est indépendant de sa structure interne et de sa composition. La meilleure contrainte actuelle de ce principe provient de la mission spatiale Microscope [5], dont notre équipe a exploité les données. L’invariance de Lorentz locale stipule que le résultat de toute expérience locale non gravitationnelle est indépendant de la vitesse et de l’orientation de l’expérience. Nous avons réalisé plusieurs tests de ce principe, en particulier dans le cadre de l’extension du modèle standard.
Finalement, L’invariance de position locale stipule que le résultat de toute expérience locale non gravitationnelle est indépendant du lieu et de l’instant où elle est réalisée. Ce principe est principalement testé par deux types d’expériences : (i) la recherche de variations des constantes de la nature et (ii) les tests de décalage vers le rouge. Plusieurs de nos projets visent à vérifier ce principe.
Projets
Bibliographie
[1] A. Einstein, Ann. Phys. 340, 898 (1911)
[2] K. Thorne, D. Lee, A. Lightman, Phys. Rev. D 7, 3563 (1971)
[3] C. Will, Theory and Experiment in Gravitational Physics (Cambridge University Press, Cambridge, 1993)
[4] C. Will, Living Rev. Relativ. 17, 4 (2014)
[5] P. Touboul et al, Phys. Rev. Letters 129, 121102, 2022