Syrte

Le principe d'équivalence

Delva Pacome — 2023-05-16T09:19:25Z

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

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Delva Pacome — 2023-05-15T17:58:24Z

La comparaison d'horloges optiques distantes permet de vérifier les lois de la physique avec une grande précision. Cependant, si on suppose que les lois de la physique classique sont valides, alors cete comparaison permet de déterminer directement la différence de potentiel de pesanteur entre deux endroits éloignés. C'est une mesure impossible à obtenir avec des moyens classiques qui ouvre de nouvelles possibilités d'applications en géodésie et en géophysique.

Dans l'équipe « théorie et métrologie », en collaboration avec l'IGN et l'IPGP nous étudions la contribution des comparaisons d'horloges optiques pour la réalisation d'un système de référence vertical, pour l'étude de la stabilité des marégraphes, ainsi que pour l'étude des processus géodynamiques. Nous travaillons également à la modélisation et à la réalisation des moyens de comparaisons distantes entre horloges optiques, en particulier dans le cas d'une horloge mobile ou sur des distances inter-continentales, au travers par exemple des projets TOFU et ROYMAGE, et en collaboration avec l'équipe "Métrologie des fréquences optiques".*

Projets

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Delva Pacome — 2023-05-15T17:56:06Z

Depuis 2019, le laboratoire SYRTE a intensifié de manière significative ses activités autour de la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna). LISA est une mission phare de l'agence spatiale Européenne (ESA) avec participation NASA et JAXA. Il s'agit d'un énorme détecteur d'ondes gravitationnelles dans l'espace, avec des bras de 2.5 millions de km de longueur, réalisés par des liens laser entre trois satellites. Au sein du LISA consortium la France a la responsabilité de l'AIVT (Assembly, Intergration, Verification and Testing) des charges utiles ainsi que du DDPC (Distributed Data Processing Center).

L'équipe "théorie et métrologie" travaille au développement de nouvelles formes d'onde dans le cadre de l'analyse des futures données LISA, en particulier pour les systèmes binaires galactiques. Nous avons démontré que le magnétisme des naines blanches pouvaient modifier la forme d'onde et que des signatures observationnelles pouvaient être détectable par un observatoire comme LISA. L'enjeu est de taille car il semblerait que ce type d'effet est à prendre en considération dans l'étalonnage des systèmes binaires galactiques dits de vérification, objets essentiels à l'étalonnage initial de la la mesure LISA. Afin de maîtriser l'ensemble de la chaîne d'analyse de données LISA, nous développons une chaîne de traitement L0-L1 des données LISA avec de nouvelles méthodes. Nous construisons cette chaîne de traitement par étapes en y ajoutant de la complexité progressivement. En parallèle, nous en déterminons la performance en réalisant l'analyse L1-L2 qui porte sur l'estimation des paramètres des sources d'ondes gravitationnelles. Finalement, nous sommes impliqués avec l'équipe "Métrologie des fréquences optiques" dans le design des bancs de test au sol, et en particulier les lasers stabilisés sur l'iode pour les tests au sol.

Projets

Propagation de la lumière

Hees Aurelien — 2023-05-15T17:51:57Z

Un axe de recherche important développé dans notre laboratoire est dédié à la modélisation de la propagation de la lumière dans des théories métriques de la gravitation. Dans ce contexte particulier, des chercheurs du SYRTE ont développé une méthode innovante et extrêmement efficace pour déterminer la propagation de la lumière en espace-temps courbe. Cette méthode est basée sur la solution de l'équation eikonale de la propagation de la lumière et est connue sous le nom des « Fonctions de Transfert de Temps ». Les développements théoriques de cette méthode peuvent être trouvées dans les publications [1,2,3], des applications liées aux missions spatiales sont développées dans [4,5,6] de même que des applications au niveau de l'astrométrie de haute précision [7,8,9]. En particulier, cette méthode fut récemment implémentée au niveau du logiciel d'analyse des données de Gaia [8]. Les recherches théoriques autour de la modélisation de la propagation de la lumière sont toujours en cours.

D'un point de vue plus pratique, notre groupe contribue au développement et à l'implémentation de logiciels utilisés pour analyser des observations. Par exemple, nous sommes impliqués dans l'analyse de données de la mission Gaia, dans le développement de logiciels qui analysent les données d'étoiles à courtes périodes qui orbitent autour du trou noir supermassif de notre centre galactique, dans le développement de logiciels d'analyse de données de tir au laser sur la lune, d'interférométrie à très longue base (VLBI), etc…

Publications

[1] C. Le Poncin-Lafitte, B. Linet, P. Teyssandier, Classical and Quantum Gravity 21, 4463, 2004. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/21/18/012
[2] P. Teyssandier, C. Le Poncin-Lafitte, Classical and Quantum Gravity 25, 145020, 2008. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/14/145020
[3] B. Linet, P. Teyssandier, Classical and Quantum Gravity 30, 175008, 2013, http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/30/17/175008
[4] A. Hees, B. Lamine, et al, Classical and Quantum Gravity 29, 235027, 2012. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/29/23/235027
[5] A. Hees, S. Bertone, C. Le Poncin-Lafitte, Phys. Rev. D 89, 064045, 2014. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.89.064045
[6] A. Hees, S. Bertone, C. Le Poncin-Lafitte, Phys. Rev. D 90, 084020, 2014. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.90.084020
[7] S. Bertone, O. Minazzoli, et al, Classical and Quantum Gravity 31, 015021, 2014. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/31/1/015021
[8] S. Bertone, A. Vecchiato, et al, Astronomy & Astrophysics 608, A83, 2017. http://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/201731654

L'extension du Modèle Standard (SME)

Bourgoin Adrien — 2023-05-15T17:45:01Z

L'espace-temps de la relativité générale s'appuie sur une symétrie fondamentale : la symétrie Lorentz, que l'on retrouve également dans le modèle standard de la physique des particules. D'après les grandes théories d'unification, une théorie quantique de la gravitation impliquerait de renoncer à la symétrie de Lorentz à certain niveau d'énergie. Ainsi, des expériences/observations suffisamment précises pourraient en principe permettre de révéler des déviations à la relativité générale sous la forme de brisures spontanées des symétries de Lorentz et CPT (la Charge, la Parité et le Temps). Afin de tester ces éventualités, Bailey, Colladay, Kostelecký et Tasson [1-3] ont introduit le formalisme d'extension du modèle standard des particules (SME). Ce dernier, via l'introduction des « coefficients SME », permet de mesurer toutes déviations aux symétries de Lorentz et CPT, et ce dans tous les domaines de la Physique. Notre équipe s'est spécialisée dans l'analyse des données astro-géodésiques et de laboratoire dans le cadre du formalisme SME.

Projets

Bibliographie

[1] Q. G. Bailey et V. A. Kostelecký. Signals for lorentz violation in post-newtonian gravity. PRD 74, 045001, 2006.

[2] V. A. Kostelecký et J. D. Tasson. Matter-gravity couplings and Lorentz violation. PRD 83, 016013, 2011.

[3] D. Colladay et V. A. Kostelecký. CPT violation and the standard model. PRD 55, 67 60, 1997.

Recherche de matière noire dans le laboratoire et dans l'espace

Hees Aurelien — 2023-05-15T17:40:19Z

La matière noire est un type de matière qui est nécessaire pour expliquer certaines observations cosmologiques et astrophysiques telles que, par exemple, le spectre du fonds diffus cosmologique et les courbes de rotation galactiques. Bien qu'extrêmement importante aux larges échelles, la matière noire n'a jamais été observée directement , en particulier avec les accélérateurs de particules comme avec le LHC au CERN. Motivé par l'absence de détection de nouvelles particules dans des énergies de l'ordre du MeV-TeV, récemment, plusieurs modèles de matière noire extrêmement légère furent développés. Dans ces modèles, la matière noire est constituée d'un boson très massif (sa masse étant plus petite que l'eV). Ce nouveau boson peut avoir des propriétés diverses et des comportements distincts. Par exemple, il peut présenter des oscillations ou encore, il peut générer des grumeaux de matière noire (qui sont appelées défauts topologiques) qui se déplacent dans l'espace-temps.

Dans le groupe « Théorie et métrologie », nous nous intéressons aux développements théories liés à ces modèles de matière noire et en particulier à la dérivation des signatures observables qui peuvent être engendrées. Ce premier axe de recherche est purement théorique mais capital dans l'optique d'identifier quels sont les meilleures mesures qui peuvent être utilisées pour optimiser une découverte hypothétique. Une caractéristique de ces modèles est que la matière noire va interagir avec les champs du modèle standard des particules et produire des effets observables sur des senseurs temps/fréquences tels que les horloges atomiques, les oscillateurs optiques ou les interféromètres atomiques. Ce type de signature est directement liée à des variations spatio-temporelles des constantes de la Nature, telles que la masses des particules fondamentales ou la constante de structure fine de l'électromagnétisme. Ce type de signature est une caractéristique fondamentale d'une violation du principe d'équivalence d'Einstein, un pilier de la relativité générale.


Dual Rb/Cs atomic fountain: Dual Rb/Cs atomic fountain operated at SYRTE and used to search for ultra light dark matter

D'autre part, une large activité de notre groupe est dédiée à l'analyse et au développement de différentes mesures dans le but de chercher ces candidats de matière noire. Cette partie de notre recherche se fait en collaboration très étroite avec les autres groups de recherche du SYRTE. En effet, le SYRTE est un acteur principal dans le développement d'horloges atomiques et optiques et a développé quelques des meilleures horloges au monde. Ces mesures ont déjà été utilisées pour produire la recherche la plus performante de matière noire oscillante [1,3]. D'autre part, le SYRTE est un des acteurs principal en Europe dans le développement de liens fibrés pour réaliser des comparaisons d'horloges à très longues distances, entre différents laboratoires en Europe (en particulier le NPL en Grande-Bretagne et le PTB en Allemagne)[4]. Finalement, le SYRTE a accès et possède les compétences pour analyser les données satellites telles que les données GNSS des satellites Galileo. Ces données peuvent également être exploitées pour chercher de la matière noire (voir [2] pour un exemple utilisant les données GPS). Tous ces jeux de données peuvent être utilisés pour chercher de la matière noire et peuvent être combinées pour réaliser un réseau mondial qui est optimal pour contraindre ce type de modèle et pour découvrir de la nouvelle physique.

Plus récemment l'expérience DAMNED (DArk Matter from Non-Equal delays) [3] utilisant une cavité optique ultra-stable du laboratoire et un interféromètre fibré a permis de chercher dans une gamme de masses pas ou peu exploré précédemment. Nous n'avons pas trouvé de matière noire, mais avons amélioré les contraintes dans plusieurs modèles de matière noire d'une manière significative. Ce travail continue en vu d'une amélioration de l'expérience et d'une extension vers d'autres candidats de matière noire.

Projets

GASTON

Bibliographie

[1] A. Hees, J. Guéna, et al, Phys. Rev. Letters 117, 061301, 2016.
[2] B. Roberts, B. Blewitt, et al, Nature Com. 8, 1195, 2017.
[3] E. Savalle, A. Hees, et al, Phys. Rev. Lett. accepted 2021.
[4] B. Roberts, P. Delva, et al, New J. of Phys., 22, 093010, 2020.