Les atomes d’hélium invisibles fournissent un test extrêmement sensible de la théorie fondamentale

La recherche, publiée cette semaine dans Science repose sur la recherche de la couleur de la lumière laser là où un atome d’hélium est invisible, et est une corroboration indépendante des méthodes précédentes utilisées pour tester QED, qui impliquaient de mesurer les transitions d’un état d’énergie atomique à un autre.

“Cette invisibilité ne concerne qu’un atome spécifique et une couleur de lumière spécifique – elle ne pourrait donc pas être utilisée pour fabriquer une cape d’invisibilité que Harry Potter utiliserait pour enquêter sur les coins sombres de Poudlard”, a déclaré l’auteur principal, Bryce Henson, un Doctorant à l’ANU Research School of Physics.

“Mais nous avons pu utiliser pour enquêter sur certains coins sombres de la théorie QED.”

“Nous espérions attraper QED, car il y a eu quelques divergences entre la théorie et les expériences, mais cela a été assez bon.”

L’électrodynamique quantique, ou QED, a été développée à la fin des années 1940 et décrit comment la lumière et la matière interagissent, incorporant à la fois la mécanique quantique et la théorie de la relativité restreinte d’Einstein d’une manière qui a fait ses preuves pendant près de quatre-vingts ans.

Cependant, des indices selon lesquels la théorie QED avait besoin d’améliorations provenaient d’écarts dans les mesures de la taille du proton, qui ont été pour la plupart résolus en 2019.

À cette époque, Bryce Henson, chercheur au doctorat de l’ANU, a remarqué de petites oscillations dans une expérience très sensible qu’il menait sur un nuage d’atomes ultrafroid connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein.

Il a mesuré la fréquence des oscillations avec une précision record, constatant que les interactions entre les atomes et la lumière laser modifiaient la fréquence, car la couleur du laser variait.

Il s’est rendu compte que cet effet pouvait être exploité pour déterminer très précisément la couleur précise à laquelle les atomes n’interagissaient pas du tout avec le laser et l’oscillation restait inchangée – en d’autres termes, devenait effectivement invisible.

Avec la combinaison d’un laser à très haute résolution et d’atomes refroidis à 80 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu (80 nanokelvin), l’équipe a atteint une sensibilité dans ses mesures d’énergie qui était de 5 ordres de grandeur inférieure à l’énergie des atomes, environ 10 – 35 joules, soit une différence de température d’environ 10-13 degrés kelvin.

“C’est si petit que je ne peux penser à aucun phénomène auquel le comparer – c’est tellement loin de la fin de l’échelle”, a déclaré M. Henson.

Grâce à ces mesures, l’équipe a pu déduire des valeurs très précises de la couleur d’invisibilité de l’hélium. Pour comparer leurs résultats avec la prédiction théorique pour QED, ils se sont tournés vers le professeur Li-Yan Tang de l’Académie chinoise des sciences de Wuhan et le professeur Gordon Drake de l’Université de Windsor au Canada.

Les calculs précédents utilisant QED avaient moins d’incertitude que les expériences, mais avec la nouvelle technique expérimentale améliorant la précision d’un facteur 20, les théoriciens ont dû relever le défi et améliorer leurs calculs.

Dans cette quête, ils ont plus que réussi – en améliorant leur incertitude à seulement 1/40e de la dernière incertitude expérimentale et en distinguant la contribution du QED à la fréquence d’invisibilité de l’atome qui était 30 fois supérieure à l’incertitude de l’expérience. La valeur théorique n’était que légèrement inférieure à la valeur expérimentale de 1,7 fois l’incertitude expérimentale.

Le chef de la collaboration internationale, le professeur Ken Baldwin de l’École de recherche en physique de l’ANU, a déclaré que des améliorations à l’expérience pourraient aider à résoudre l’écart, mais permettraient également de perfectionner un outil extraordinaire qui pourrait éclairer QED et d’autres théories.

“Les nouveaux outils de mesure de précision entraînent souvent de grands changements dans la compréhension théorique”, a déclaré le professeur Baldwin.