Des particules émergent littéralement du vide au sein d’un « univers artificiel miniature » en laboratoire

Comprendre l’origine de l’Univers est la quête de nombre de chercheurs, s’appuyant sur des télescopes superpuissants comme James Webb pour sonder les confins de l’Univers. Mais la solution se trouverait peut-être en laboratoire. Récemment, un fluide d’atomes ultra-froids a présenté une dynamique quantique similaire à celles supposées avoir existé quelques instants après le Big Bang, inaugurant une nouvelle ère d’exploration en laboratoire de l’Univers primitif.

L’idée que l’Univers primitif a subi une phase d’inflation rapide a été initialement proposée pour résoudre certaines des énigmes en suspens du Big Bang. Mais les scientifiques se sont vite rendu compte que cette théorie de l’inflation pouvait aussi expliquer l’origine même de la structure cosmique de l’Univers. Comme tous les événements qui se sont produits dans l’univers primordial, la phase inflationniste a longtemps été inaccessible aux expériences directes, mais cela n’empêche pas nécessairement l’exploration de la physique impliquée.

Récemment, une équipe de physiciens menée par Célia Viermann de l’Université Heidelberg (Allemagne) a créé un minuscule « univers » en expansion avec un « simulateur de champ quantique » composé d’atomes de potassium ultra froids. L’étude est publiée dans la revue Nature.

Simuler l’après Big Bang avec des fluides quantiques

Il faut savoir que la dynamique des champs quantiques dans un univers courbé donne lieu à divers phénomènes intrigants. Parmi eux se trouve la production de particules dans un univers en expansion. Célia Viermann, l’auteure principale, explique : « Ce processus est probablement responsable de l’ensemencement de la structure à grande échelle de l’Univers, qui, à son tour, provoque les fluctuations de température dans le fond diffus cosmologique et se développe dans la distribution des galaxies et des amas de galaxies que nous observons aujourd’hui ».

Dans cette étude, les chercheurs ont simulé ce processus dans un gaz quantique ultra froid. Concrètement, ils ont refroidi plus de 20 000 atomes de potassium dans le vide, en utilisant des lasers pour les ralentir et abaisser leur température à environ 60 nanokelvins, soit 60 milliardièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu. À cette température, les atomes forment donc un nuage de la largeur d’un cheveu humain et, au lieu de geler, forment une phase quantique de matière fluide appelée condensat de Bose-Einstein (BEC).

Rappelons que les fluides tels que nous les connaissons dans la vie quotidienne ne s’écoulent pas sans résistance. De grandes pompes et turbines sont nécessaires pour déplacer l’eau, et le miel s’écoule lentement d’une cuillère. Ceci est causé par la friction interne du fluide, à travers laquelle l’énergie motrice est finalement convertie en chaleur. Cela peut être radicalement différent dans un fluide quantique — étroitement lié au phénomène de condensation de Bose-Einstein.

Un condensat de Bose-Einstein est un état quantique spécial d’un gaz atomique qui est atteint à des températures très froides. Un nuage d’atomes individuels dans cet état se comporte collectivement comme un fluide unique. Ce fluide quantique est capable de s’écouler sans résistance — il est superfluide. Selon le professeur Oberthaler, au cours des dernières décennies, des condensats atomiques de Bose-Einstein ont été créés à partir de types d’atomes très différents tels que le sodium et le rubidium, mais plus récemment également à partir d’atomes plus « exotiques » comme l’erbium et le dysprosium.

Dans cette expérience, les atomes mis dans cette phase peuvent être contrôlés en les éclairant — à l’aide d’un minuscule projecteur, les chercheurs ont défini avec précision la densité des atomes, leur disposition dans l’espace et les forces qu’ils exercent les uns sur les autres.

En modifiant ces propriétés, l’équipe a fait suivre aux atomes une équation appelée métrique espace-temps, qui, dans un univers réel à grande échelle, détermine à quel point il est courbé, à quelle vitesse la lumière se déplace et comment elle est « courbée » à proximité des objets massifs. Pour New Scientist, Oberthaler déclare que c’est la première expérience qui a utilisé des atomes froids pour simuler un univers courbe et en expansion.

Comprendre l’expansion de l’Univers

Dans un article de Vice, les auteurs expliquent plus précisément qu’en faisant passer des ondes sonores à travers le condensat — un analogue de la lumière dans l’Univers — ils ont pu examiner une physique qui serait similaire à celle apparue dans l’univers primitif. Les ondes sonores de l’expérience ont joué le rôle d’ondes lumineuses dans l’univers réel, car leur chemin à travers le condensat était influencé par différentes configurations, similaires à l’espace-temps courbé.

Les chercheurs ont alors découvert que les atomes se déplacent exactement selon le type de motif d’ondulation auquel on pourrait s’attendre si des paires de particules apparaissaient — un phénomène appelé « production de paires de particules ».

Liebster, co-auteur, déclare : « Il se pourrait que dans le passé, notre univers ait eu différents types de courbure spatiale, et c’est ce que nous pouvons régler dans notre système. Nous avons le contrôle sur ce genre de paramètres ». Il ajoute : « La façon dont l’onde sonore se déplace dans le système est un moyen très efficace de vérifier quel est le chemin le plus court entre deux points, car l’onde sonore emprunte toujours le chemin le plus court. Les ondes sonores sont comme des ondes lumineuses dans la vraie cosmologie. Elles ont les mêmes propriétés, et c’est pourquoi nous les utilisons pour sonder notre espace-temps ».

Ainsi, à travers ces simulations, l’équipe a pu examiner la dynamique qui les sous-tend, ce que Liebster a appelé « un rêve en cosmologie ». Dans l’ensemble, l’expérience a correspondu aux prédictions théoriques pour différentes courbures dans le temps et l’espace, validant cette approche de simulateur, bien qu’elle ne confirme ou ne réfute aucun modèle particulier de l’univers primitif à l’heure actuelle.

Dans l’article de New Scientist, Alessio Celi de l’Université autonome de Barcelone en Espagne, affirme que la nouvelle expérience est un terrain de jeu très précis pour associer les effets quantiques et la gravité. Les physiciens ne savent pas très bien comment les deux se combinent dans notre univers, mais des expériences avec des atomes ultra-froids peuvent leur permettre de tester certaines hypothèses. Ces résultats pourraient inspirer de nouvelles cibles pour des observations dans le cosmos.

Source : Nature