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Une photo des chercheurs à Heidelberg Crédit :TSR Relativity Team (Sascha Reinhardt, Sergei Karpuk, Christian Novotny, Guido Saathoff)
Depuis sa découverte théorique en 1905, le caractère relatif de l'espace et du temps, illustré par le célèbre paradoxe des jumeaux de Langevin, n'a cessé d'alimenter les discussions. Bien sûr, les preuves expérimentales en faveur de la réalité du phénomène de dilatationdilatation du temps sont nombreuses et solides. Toutes les prédictions de la relativité restreinte, comme celles que l'on teste quotidiennement dans les accélérateurs de particules (et même avec les récepteurs GPSGPS, qui, en plus, tiennent compte de la relativité génrale), reposent étroitement sur la notion d'espace-temps et sur l'effet de dilatation du temps pour un observateur en mouvement par rapport à un autre, resté au repos dans un référentiel donné.
Rien n'indique cependant que la théorie d'EinsteinEinstein soit une description exacte de la réalité dans toutes les situations et pour tous les phénomènes. Les théories de GaliléeGalilée, Kepler et NewtonNewton pour l'espace, le temps et la gravitationgravitation ont bien elles-mêmes trouvé leurs limites, comme Einstein et l'expérience nous l'ont appris.
Un enjeu : dépasser le modèle standard
Depuis quelques années, il y a un regain d'intérêt pour des expériences rendues possibles par la technologie moderne et permettant de tester avec plus de précision des théories comme celles de la relativité d'Einstein. Un formalisme très général, celui de Robertson-Mansouri-Sexl, permet d'ailleurs de fournir une description avec plusieurs paramètres libres des écarts possibles aux prédictions de la relativité restreinte d'Einstein, tout comme le formalisme PPN de Will et Nordtvedt paramétrise les écarts possibles à la relativité généralerelativité générale, dans le cadre des théories métriques de la gravitation.
L'enjeu est d'importance car des violations de la relativité restreinte conduiraient probablement à une violation de l'invariance CPTinvariance CPT. Cela constituerait un signe fort en faveur, ou contre, certaines théories au-delà du modèle standardmodèle standard comme la théorie des cordesthéorie des cordes. Des violations de la symétrie CPT permettraient d'expliquer certaines anomalies en physique des particules et même le fameux problème de l'asymétrie matièrematière-antimatièreantimatière en cosmologiecosmologie d'après certains.
C'est dans cette optique qu'un groupe de physiciensphysiciens allemands et canadiens affine des mesures d'effet Dopplereffet Doppler relativiste à l'aide de faisceaux d'ionsions de lithiumlithium circulant dans un anneau de stockage, près de Heidelberg en Allemagne. Il s'agit donc d'une forme plus sophistiquée de la mise en évidence d'un effet Doppler relativiste, telle qu'elle a été réalisée une première fois en 1938 par Ives et Stilwell. Ironiquement, Ives était un opposant à la théorie d'Einstein avant d'être convaincu de sa validité par l'expérience qu'il avait réalisée avec Stilwell !
Les chercheurs du Max PlanckMax Planck Institute for Nuclear Physics font aujourd'hui le point dans un article de Nature.
L'expérience de Heidelberg
Les faisceaux laser en cours de réglage Crédit : TSR Relativity Team (Sascha Reinhardt, Sergei Karpuk, Christian Novotny, Guido Saathoff)
La technique mise en œuvre est utilisée en optique quantique et on l'appelle la spectroscopie par absorptionabsorption saturée. On prend pour cela deux laserslasers dont l'un est stable en fréquencefréquence et un autre de fréquence modulable. On fabrique des paquetspaquets d'atomesatomes de lithium 7 ionisés possédant deux niveaux d'énergieénergie proches donnant lieu à une fréquence de transition électronique de 546 THz environ, et que l'on injecte à une fraction notable de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière, ici quelques %, dans un anneau de stockage magnétique.
On illumine enfin les ions de 7Li+ par l'arrière avec le faisceau laser stable et par l'avant avec le faisceau à fréquence variable. En absorbant les photonsphotons à une certaine fréquence, les ions 7Li+ les réémettent ensuite par fluorescence.
Il se produira une résonancerésonance dans l'intensité de la lumière absorbée, or celle-ci, du fait du mouvement des noyaux, ne sera pas la même pour les deux faisceaux laser. En revanche, d'après la théorie de la relativité restreinte et les formules de l'effet Doppler relativiste, le produit des deux fréquences sera égal à la fréquence de transition entre les niveaux d'énergie précédents, lorsque les ions sont au repos dans le référentiel du laboratoire.
L'anneau de stockage des ions lithium au Max Planck Institute for Nuclear Physics à Heidelberg.TSR Crédit : Relativity Team (Sascha Reinhardt, Sergei Karpuk, Christian Novotny, Guido Saathoff)
L'expérience a été réalisée et c'est bien ce qu'on observe. Mieux, s'il existe un écart entre les prédictions de la relativité restreinte et la réalité en ce qui concerne l'influence du facteur de dilatation relativiste du temps dans l'effet Doppler, celui-ci doit être inférieur à 8,4 10-8 , un résultat 10 fois plus précis que ce que l'on avait déjà obtenu avec les GPS ! Il faudra donc gagner encore en précision pour espérer détecter de possibles violations de la théorie d'Einstein qui résiste toujours vaillamment
