Depuis des décennies, on spécule sur l’existence de nouvelles forces macroscopiques qui seraient analogues à l’interaction magnétique entre deux aimants. Ces forces dépendraient des spins entre deux particules. On vient d’améliorer les tests sur leur existence d’un facteur d’environ un million en utilisant une population d’électrons associée aux atomes de fer dans le manteau de la Terre.

Laurent Sacco, Futura-Sciences

Une autre photo montrant le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Sa citation à droite signifie en français : « si vous ne faites pas d'erreurs, c'est que vous n'êtes pas en train de travailler sur des problèmes assez durs. Et cela est une grave erreur ». © Justin Knight Photography

Les forces électriques entre les électrons, les quarks ou d’autres particules chargées dépendent de leurs charges. Les théories de Yang-Mills à la base des autres interactions du modèle standardutilisent des sortes de généralisations des charges et des champs électriques pour décrire la force nucléaire forte et la force électrofaible. Dans une certaine mesure, la masse d’une particule élémentaire est l’analogue de la charge électrique pour le champ de gravitation, qui est aussi décrit par des équations de type Yang-Mills, les équations de la relativité générale.

Toutefois, on sait qu’il existe dans la nature des forces entre des objets qui ne semblent pas directement liées aux charges entre les particules, mais plutôt à une autre caractéristique fondamentale : le spin. C’est le cas des forces entre des aimants qui reposent ultimement sur le fait que les électrons doués de spin se comportent comme des dipôles magnétiques en interaction.

Généralisations des forces entre aimants

On s’est donc demandé s'il existe dans la nature des généralisations des forces magnétiques, faisant intervenir dans leur formulation mathématique non plus des produits de charges électriques mais des produits des expressions mathématiques décrivant leur spin. Incontestablement, on peut construire des théories mathématiques cohérentes prédisant des forces à plus ou moins longue portée entre des particules douées de spin. Mais la parole était à l’expérience.

Le prix Nobel de physique Norman Ramsey a été le premier à chercher des traces de ces nouvelles interactions en 1979. Il en a conclu que les effets mesurés entre deux protons ne différaient pas de ceux auxquels on s’attendait du fait des interactions magnétiques standard similaires, à la limite des mesures de l’époque.

Deux géants du modèle standard de la physique des particules : les prix Nobel Frank Wilczek (à gauche) et Yoichiro Nambu (à droite).

© Betsy Devine

Une cinquième force véhiculée par un axion ?

Vers 1984, le futur prix Nobel de physique Frank Wilczek a publié avec un collègue un article dans lequel il a relié l’hypothèse d’un nouveau couplage spin-spin entre deux particules à celle de l’échange entre ces dernières d’un boson scalaire bien particulier. Il s'agit de celui qu’il venait d’introduire dans le monde de la physique théorique : l’axion. Il faut savoir en effet qu’au bout du compte, le couplage magnétique entre deux spins de particules chargées fait intervenir un échange dit virtuel d’un boson bien connu : le photon.

Plus généralement, les années passant, plusieurs chercheurs ont emboîté le pas de Wilczek en introduisant divers nouveaux bosons susceptibles de donner lieu à des forces qui dépendent d’un couplage spin-spin. Des expériences délicates ont été entreprises afin de détecter l’existence d’une cinquième force à plus ou moins longue portée, nécessairement très faible pour avoir échappé jusqu’ici à toute détection. Au cours du temps, elles n’ont fait que repousser lentement les limites concernant les paramètres des théories proposées.

10⁴² géoélectrons polarisés à l'intérieur de la Terre

De façon remarquable, un groupe de physiciens des particules élémentaires et de géophysiciens vient de publier un article dans Science qui améliore brutalement d’un facteur de l’ordre d’un million la précision des tests sur l’existence d’un couplage spin-spin, autre que magnétique, entre des fermions du modèle standard.

On voit ici des géoélectrons (e^-) avec leur spin (flèches rouges), c'est-à-dire ici des électrons célibataires dans des atomes de fer, orientés selon les lignes de champ magnétique dans le manteau et la croûte terrestre. Présents en grandes quantités, ces géoélectrons pourraient échanger divers bosons (lignes vertes) avec d'autres particules dotées de spin dans un détecteur en surface, de sorte qu'une cinquième force de la nature soit décelable bien qu’extrêmement faible. © Jackson School of Geosciences, The University of Texas at Austin

Pour obtenir ce résultat spectaculaire, les chercheurs ont utilisé l’influence de ce qu’ils appellent des géoélectrons à l’intérieur de la Terre et ce sur trois expériences. Ces géoélectrons sont des électrons non appariés d'atomes de fer du manteau et de la croûte terrestre. Ils ont tendance à s’orienter avec leur spin le long des lignes de champ magnétique générées par la géodynamo. On dit qu’ils sont polarisés.

En se basant sur un modèle géophysique de l’intérieur de la Terre, il a d’abord fallu calculer le nombre et la répartition de ces géoélectrons polarisés. Une fois la carte de leur densité établie, il est devenu possible de calculer l’effet d’une éventuelle cinquième force sur certaines expériences. Une partie d’entre elles avaient pour but initial de déceler d’éventuelles violations de l’invariance de Lorentz, et utilisaient aussi le phénomène de résonance magnétique nucléaire.

Il se trouve que si les géoélectrons sont parfois à des milliers de kilomètres de ces expériences, leur nombre, estimé à 10⁴², compenserait largement cet inconvénient, à savoir une décroissance rapide de la cinquième force avec la distance. Ces géoélectrons seraient en effet responsable d’une force bien plus intense que celles théoriquement produites en laboratoire entre deux dispositifs, distants de quelques mètres tout au plus, et destinés spécifiquement à découvrir une nouvelle interaction avec un couplage spin-spin.

La chasse à la cinquième force continuera

Les résultats sont pour le moment négatifs, mais les chercheurs pensent pouvoir repousser encore les bornes sur l’intensité d’une cinquième force de ce genre en effectuant une nouvelle expérience en un lieu plus approprié : la Thaïlande. D’après leur modèle de répartition des géoélectrons, c’est en effet dans le sud de ce pays que les effets recherchés seraient les plus intenses et permettraient de repousser encore d’un facteur deux la précision des mesures.

En tout état de cause, ce travail est un exemple de plus des interactions surprenantes et imprévues que l’on peut rencontrer entre deux domaines de recherche à priori disjoints, à savoir la géophysique et la physique des particules. Ce n’est cependant pas la première fois. On se souvient du rôle des géoneutrinos.

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Selon certains physiciens, un univers parallèle autoriserait certaines particules à sortir de notre univers pour y rentrer à nouveau. Des neutrons pourraient ainsi jouer les passe-murailles. L’idée a été testée avec le réacteur nucléaire de l’institut Laue Langevin à Grenoble.

- Laurent Sacco, Futura-Sciences

La  lumière bleue que l’on voit sur cette image provient du rayonnement Cherenkov produit dans l’eau par la radioactivité du réacteur de l’Institut Laue Langevin à Grenoble. Ce réacteur produit aussi des neutrons utilisés pour toutes sortes d’expériences. © Institut Laue Langevin

Quand la première révolution de la théorie des supercordes est arrivée au milieu des années 1980 grâce à Michael Green et John Schwarz, un fait curieux a intrigué certains physiciens. La version la plus prometteuse de la théorie reposait sur le produit de deux groupes de symétries identiques, à savoir E8 par E8. Chacun de ces groupes de Lie contient comme sous-groupes ceux du modèle standard, ce qui a permis de spéculer sur l’existence d’une sorte de second monde miroir du nôtre qui ne l’influencerait qu’au niveau de la gravité.

En effet, aucune des particules des deux mondes ne semblait pouvoir passer de l’un à l’autre, sauf, peut-être, les gravitons, ce qui donnait une solution élégante au problème de la massemanquante. La matière noire que l’on commençait à considérer sérieusement faisait peut-être partie de cet autre univers parallèle.

Film de présentation générale de l'institut Laue-Langevin, leader mondial en sciences et techniques neutroniques, situé à Grenoble. © ILL Laue Langevin

La seconde théorie des cordes, apparue au milieu des années 1990, a considérablement stimulé les théoriciens en leur permettant d’élaborer des scénarios compliqués et variés de mondes parallèles à l’aide des dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des cordes ou de la théorie de la supergravité de Kaluza-Klein. L’idée que notre univers, et d’autres, était l’équivalent d’une feuille flottant dans l’espace a permis d’imager le concept d’univers membrane en 3D plongé dans un espace en 4 voire 10 dimensions.

Là aussi, des mécanismes décrits par la théorie des cordes pouvaient expliquer pourquoi les particules du modèle standard semblaient confiner à notre univers-membrane, un peu à la façon dont les quarks et les gluons sont confinés dans les hadrons en théorie quantique des champs. Une autre approche d’unification de la physique, la géométrie non commutative d’Alain Connes postule, elle aussi, pour expliquer l’existence du champ de Brout-Englert-Higgs, une sorte de deuxième feuillet d’univers dédoublant le nôtre.

Sur ce schéma, notre univers est représenté par une membrane (our brane) plongée dans un espace plus grand où se trouve un autre univers ressemblant au nôtre mais caché (hidden brane). Un neutron pourrait parfois voyager dans cet espace par effet tunnel quantique puis se retrouver sur l'autre membrane. © Michael Sarrazin, Guillaume Pignol, Jacob Lamblin, Fabrice Petit, Guy Terwagne, Valery V. Nesvizhevsky

Des neutrons qui sautent d’un univers à un autre

Mais comment tester de telles spéculations débridées des théoriciens ? On a espéré à la fin des années 1990 que plusieurs de ces théories incluant des dimensions spatiales supplémentaires modifiaient nos idées sur la fameuse masse de Planck, le niveau d’énergie où la gravitationquantique et l’unification de toutes les forces se manifestent le plus clairement. On pouvait peut-être sonder ces théories à des énergies accessibles au LHC alors que l’on pensait avant qu’un collisionneur de la taille de la Voie lactée était nécessaire. Il semble malheureusement qu’il n’en soit pas le cas. Bien que rien ne soit certain, n’existerait-il pas malgré tout des phénomènes à basses énergies que l’on pourrait observer et qui donneraient du poids à l’hypothèse que notre univers soit une sorte de membrane ?

Plusieurs chercheurs le pensent, particulièrement en France et en Belgique. C’est ainsi qu’au début des années 2010, Michaël Sarrazin, Fabrice Petit et leurs collègues ont commencé à envisager que par effet tunnel quantique, certaines particules du modèle standard, en l’occurrence desneutrons, pouvaient parfois sauter d’une membrane à une autre si leur distance n’est pas trop importante et si notre univers est en fait formé de deux membranes proches dans un espace plus grand baptisé le « bulk ». On trouve une hypothèse similaire dans le fameux modèle de Randall-Sundrum à la base du scénario d'Interstellar.

La source de neutron de l'ILL est isolée par un mur de béton (Concrete wall). Mais un flux de neutrons partis dans un univers parallèle (Hidden neutron flux) où il voyage temporairement pourrait émerger à nouveau dans un détecteur bien protégé d'un flux de neutrons extérieur. © Michael Sarrazin, Guillaume Pignol, Jacob Lamblin, Fabrice Petit, Guy Terwagne, Valery V. Nesvizhevsky

Pour l’instant, RAS...

Ces sauts seraient rares ce qui expliquerait pourquoi ils restent inobservables dans la vie de tous les jours et au laboratoire. Mais selon les chercheurs, ils pourraient malgré tout être mis en évidence de la façon suivante. On commencerait par utiliser une source de neutrons comme celle disponible à Grenoble à l’institut Laue-Langevin. Un flux de ces neutrons serait enfermé dans un bloc de béton de sorte qu’un détecteur placé à l’extérieur, convenablement calibré pour ne pas tenir compte du flux de neutrons naturel, ne devrait pas pouvoir détecter ceux produits par la source intense à proximité.

Mais si les sauts quantiques entre univers-membrane sont réels, certains neutrons de la source pourraient sortir de notre univers, voyager dans le second puis revenir dans le nôtre de sorte que le détecteur devrait voir un flux anormal de neutrons. L’intensité de ce flux étant reliée à la distance séparant les deux membranes, on aurait de cette façon un moyen de la mesurer.

Les chercheurs ont réalisé cette expérience et ils viennent d’exposer les résultats obtenus dans un article que l’on peut trouver sur arXiv. Pour le moment ils sont négatifs.

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Des chercheurs allemands sont parvenus à influencer le comportement d'un faisceau lumineux à l'aide d'une seule molécule organique et d'une poignée de photons. Une expérience qui donne un peu plus de réalité physique aux combats au sabre laser de la sagaStar Wars. Plus sérieusement, cette première mondiale pourrait aussi aider au développement de transistors nano-optiques pour ordinateurs photoniques.

 Nathalie Mayer, Futura-Sciences