Mesure des transitions induites par gradient de champ magnétique entre états quantiques de neutrons piégés à la surface d'un miroir par le champ de pesanteur terrestre.
Les neutrons bondissants
Les neutrons ultrafroids (de vitesse inférieure à 30 km/h) rebondissent parfaitement sur de nombreuses surfaces, comme un miroir de verre. Contrairement à une balle, les rebonds des neutrons ne sont pas amortis.
Musique quantique des neutrons bondissants
Un neutron bondissant est soumis aux règles de la mécanique quantique. La fréquence des rebonds est quantifiée, comme une corde de guitare qui ne vibre qu'à certaines fréquences précises. Ce phénomène quantique se manifeste pour les neutrons rebondissants très près du miroir horizontal, typiquement 0,01 mm. De même que les atomes, les neutrons possèdent des états d’énergie discrets, qui impliquent des transitions entre états à des fréquences précises. Alors que pour les atomes, les fréquences quantiques sont de l'ordre de la centaine de Tera Hertz (raies d’émission et d'absorption lumineuses), les neutrons bondissants ont des fréquences de transition dans le domaine audio (254 Hz, 462 Hz et 645 Hz respectivement pour les transitions 1->2, 1->3 et 1->4). Ces fréquences sont représentées sur la portée musicale ci-dessous.
L'expérience GRANIT à l'ILL
Les premières expériences avec les neutrons bondissant (2000 - 2005) à l'Institut Laue Langevin (ILL) ont permis de mettre en évidence l'existence de ces états quantiques. L'expérience GRANIT (Transitions GRAvitationnelles Induites du Neutron) prolonge ces mesures pionnières. L'objectif est de mesurer précisément les fréquences quantiques des neutrons bondissants.
L'instrument GRANIT à l'Institut Laue Langevin de Grenoble.
Pour cette expérience, une source de neutrons ultrafroids a été construite spécialement.
Un faisceau très intense de neutrons froids (CN) provenant du réacteur de l'ILL est dirigé vers un volume contenant 10 L d'hélium superfluide refroidi à 0,7 K. Une partie infime du faisceau va s'arrêter brutalement dans ce milieu, produisant ainsi des neutrons ultrafroids (UCN).
Les neutrons ultrafroids produits dans la source sont guidés vers le spectromètre GRANIT, installé dans une salle blanche nécessaire pour garantir la qualité de l’état de surface des miroirs.
Photo de la salle blanche de l'instrument GRANIT. On distingue au premier plan le marbre servant de support des miroirs. Ce marbre est maintenant installé dans la chambre a vide visible au second plan. Les trois paires de bobines entourant la chambre à vide permettent d'induire un champ magnétique constant.
Recherche de "nouvelle physique" avec GRANIT
Les fréquences quantiques que GRANIT va mesurer peuvent être calculées théoriquement. Ainsi, GRANIT permettra de vérifier qu'une particule subatomique bondissante se comporte comme attendu par la théorie quantique. Si toutefois la mesure était en désccord avec la prédiction théorique, ce pourrait être la signature de phénomènes nouveaux.
En particulier, l'énergie noire, cette mystérieuse forme d'énergie responsable de l'accélération de l'expansion de l'univers, pourrait être due à une nouvelle force, dite "caméléon". Selon cette théorie, seules les particules subatomiques comme le neutron sont sensibles à la force caméléon forte. Si cette force existe, elle devrait modifier les fréquences quantiques des rebonds du neutron.
