Tester certaines théories cosmologiques s’avère souvent difficile car les niveaux d’énergie requis sont généralement très hauts. L’un des moyens pour les scientifiques de contourner ce problème est de répliquer les phénomènes cosmologiques en utilisant des systèmes physiques se comportant de la même manière. Ainsi, c’est grâce à un condensat de Bose-Einstein que des physiciens ont pu recréer la dynamique de l’inflation de l’univers primitif en laboratoire.

Un condensat de Bose-Einstein (CBE) est un état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme des bosons et se trouvent dans leur état fondamental de plus basse énergie. Il est obtenu en refroidissant un gaz d’atomes à une température très proche du zéro absolu. Les CBE sont d’excellents « laboratoires quantiques » car ils permettent aux chercheurs d’observer des effets quantiques sur de plus grandes échelles, et donc de tester différentes théories physiques.

Mais ils permettent également de tester certains phénomènes cosmologiques. C’est la découverte qu’a effectué une équipe américaine de physiciens en recréant le phénomène d’expansion de l’univers. « Il est difficile de tester les théories cosmologiques » explique Gretchen Campbell, physicienne à l’université du Maryland (USA). « Mais peut-être que nous pouvons vraiment trouver un moyen de tester certains modèles cosmologiques à l’échelle du laboratoire ». Les résultats ont été publiés dans le journal Physical Review X.

Dans leur expérience, les chercheurs ont recréé le vide de l’univers avec un CBE d’environ 10’000 atomes de sodium et lui ont donné une forme d’anneau via des impulsions lumineuses. C’est la vitesse du son à l’intérieur du CBE qui faisait office de vitesse de la lumière dans le vide, et les phonons (des quasiparticules représentant un quantum de vibration dans un solide cristallin) qui faisaient office de particules élémentaires. Les physiciens ont donc recréé, par analogie, toutes les conditions cosmologiques connues. En effet, paradoxalement, la dynamique de l’univers et du CBE peut être décrit par des équations très similaires ; étudier l’évolution du CBE permet donc théoriquement de prédire l’évolution de l’univers primitif.

Rendu graphique montrant les différentes phases de l’expansion du CBE entre les prédictions théoriques (en bas) et les résultats expérimentaux (en haut). Crédits : S. Eckel et al, PRX (2018)

Ensuite, les chercheurs ont augmenté la taille de l’anneau plus rapidement que la vitesse du son, afin de recréer les conditions cosmologiques de l’univers primordial, dans lequel le phénomène de l’inflation (dilatation brutale de l’univers) s’est déroulé plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide. La longueur d’onde des phonons s’est « étirée », démontrant ainsi l’apparition d’un redshift (décalage vers le rouge) et, lorsque la dilatation du CBE s’est arrêtée, l’énergie du système s’est transformée en vibrations résiduelles, répliquant la potentielle désintégration de l’inflaton (champ scalaire supposé être à l’origine de l’inflation) à la fin de l’inflation.

phonon inflation

Étirement de la longueur d’onde des phonons en fonction du temps (redshift). La bande grise désigne le moment où le CBE s’est dilaté. Crédits : S. Eckel & al

« Je trouve ces résultats véritablement passionnants car ils établissent une nouvelle connexion entre les cosmologistes et les physiciens de la matière condensée » affirme Misha Lemeshko, physicien à l’Institut des Sciences et Technologies autrichien. « Tenter de comprendre l’univers primordial en termes de dynamique de phonons et vortex dans un condensat de Bose-Einstein nous offre à nous, les « physiciens terrestres », une bonne image intuitive ».

Même si cette expérience a révélé de nombreux points communs avec l’inflation de l’univers primitif, des différences persistent tout de même. Dans le modèle de l’inflation, l’énergie résiduelle de la désintégration de l’inflaton donne lieu à la création des fermions et des bosons, ce qui n’a pas été le cas ici. En outre, les effets quantiques sont devenus dominants dans le CBE, ce qui a entraîné sa rotation et modifié ses propriétés atomiques. Malgré cela, le CBE se révèle une nouvelle fois extrêmement utile pour répliquer les phénomènes cosmologiques à l’échelle du laboratoire.

Source : Physical Review X

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