Les physiciens se lancent à la recherche d’une lueur quantique longtemps recherchée

Pour les fans de « Star Wars », les étoiles filantes vues depuis le cockpit du Millennium Falcon alors qu’il saute dans l’hyperespace sont une image canonique. Mais que verrait réellement un pilote s’il pouvait accélérer en un instant dans le vide de l’espace ? Selon une prédiction connue sous le nom d’effet Unruh, elle verrait plus probablement une lueur chaude.

Depuis les années 1970, lorsqu’il a été proposé pour la première fois, l’effet Unruh a échappé à la détection, principalement parce que la probabilité de voir l’effet est infiniment petite, nécessitant soit d’énormes accélérations, soit de grandes quantités de temps d’observation. Mais des chercheurs du MIT et de l’Université de Waterloo pensent avoir trouvé un moyen d’augmenter significativement la probabilité d’observer l’effet Unruh, qu’ils détaillent dans une étude parue dans Lettres d’examen physique.

Plutôt que d’observer l’effet spontanément comme d’autres l’ont tenté par le passé, l’équipe propose de stimuler le phénomène, d’une manière très particulière qui renforce l’effet Unruh tout en supprimant d’autres effets concurrents. Les chercheurs comparent leur idée à jeter une cape d’invisibilité sur d’autres phénomènes conventionnels, ce qui devrait alors révéler l’effet Unruh beaucoup moins évident.

Si elle peut être réalisée dans une expérience pratique, cette nouvelle approche stimulée, avec une couche supplémentaire d’invisibilité (ou « transparence induite par l’accélération », comme décrit dans l’article) pourrait augmenter considérablement la probabilité d’observer l’effet Unruh. Au lieu d’attendre plus longtemps que l’âge de l’univers pour qu’une particule en accélération produise une lueur chaude comme le prédit l’effet Unruh, l’approche de l’équipe réduirait ce temps d’attente à quelques heures.

« Maintenant, au moins, nous savons qu’il y a une chance dans notre vie où nous pourrions réellement voir cet effet », déclare le co-auteur de l’étude Vivishek Sudhir, professeur adjoint de génie mécanique au MIT, qui conçoit une expérience pour capturer l’effet basé sur le théorie du groupe. « C’est une expérience difficile, et il n’y a aucune garantie que nous serions capables de le faire, mais cette idée est notre espoir le plus proche. »

Les co-auteurs de l’étude incluent également Barbara Šoda et Achim Kempf de l’Université de Waterloo.

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L’effet Unruh est également connu sous le nom d’effet Fulling-Davies-Unruh, du nom des trois physiciens qui l’ont initialement proposé. La prédiction indique qu’un corps qui accélère dans le vide devrait en fait ressentir la présence d’un rayonnement chaud uniquement comme un effet de l’accélération du corps. Cet effet est lié aux interactions quantiques entre la matière accélérée et les fluctuations quantiques dans le vide de l’espace vide.

Pour produire une lueur suffisamment chaude pour que les détecteurs puissent la mesurer, un corps tel qu’un atome devrait accélérer à la vitesse de la lumière en moins d’un millionième de seconde. Une telle accélération équivaudrait à une force g d’un quadrillion de mètres par seconde au carré (un pilote de chasse subit généralement une force g de 10 mètres par seconde au carré).

« Pour voir cet effet en peu de temps, il faudrait avoir une accélération incroyable », explique Sudhir. « Si vous aviez à la place une accélération raisonnable, vous devriez attendre un temps énorme – plus long que l’âge de l’univers – pour voir un effet mesurable. »

Quel serait alors l’intérêt ? D’une part, il dit que l’observation de l’effet Unruh serait une validation des interactions quantiques fondamentales entre la matière et la lumière. Et d’autre part, la détection pourrait représenter un miroir de l’effet Hawking – une proposition du physicien Stephen Hawking qui prédit une lueur thermique similaire, ou « rayonnement Hawking », à partir d’interactions lumière et matière dans un champ gravitationnel extrême, comme autour d’un trou noir.

« Il existe un lien étroit entre l’effet Hawking et l’effet Unruh – ils sont exactement l’effet complémentaire l’un de l’autre », explique Sudhir, qui ajoute que si l’on devait observer l’effet Unruh, « on aurait observé un mécanisme qui est commun aux deux effets. »

Une trajectoire transparente

L’effet Unruh devrait se produire spontanément dans le vide. Selon la théorie quantique des champs, un vide n’est pas simplement un espace vide, mais plutôt un champ de fluctuations quantiques agitées, chaque bande de fréquence mesurant environ la taille d’un demi-photon. Unruh a prédit qu’un corps accélérant dans le vide devrait amplifier ces fluctuations, d’une manière qui produit une lueur thermique chaude de particules.

Dans leur étude, les chercheurs ont introduit une nouvelle approche pour augmenter la probabilité de l’effet Unruh, en ajoutant de la lumière à l’ensemble du scénario, une approche connue sous le nom de stimulation.

« Lorsque vous ajoutez des photons dans le champ, vous ajoutez ‘n’ fois plus de ces fluctuations que ce demi-photon qui se trouve dans le vide », explique Sudhir. « Donc, si vous accélérez à travers ce nouvel état du champ, vous vous attendez à voir des effets qui augmentent également ‘n’ fois ce que vous verriez du seul vide. »

Cependant, en plus de l’effet Unruh quantique, les photons supplémentaires amplifieraient également d’autres effets dans le vide – un inconvénient majeur qui a empêché d’autres chasseurs de l’effet Unruh d’adopter l’approche de la stimulation.

Šoda, Sudhir et Kempf, cependant, ont trouvé une solution de contournement, grâce à la « transparence induite par l’accélération », un concept qu’ils introduisent dans l’article. Ils ont montré théoriquement que si un corps tel qu’un atome pouvait être amené à accélérer avec une trajectoire très spécifique à travers un champ de photons, l’atome interagirait avec le champ de telle manière que les photons d’une certaine fréquence apparaîtraient essentiellement invisibles pour le atome.

« Lorsque nous stimulons l’effet Unruh, nous stimulons en même temps les effets conventionnels ou résonnants, mais nous montrons qu’en concevant la trajectoire de la particule, nous pouvons essentiellement désactiver ces effets », explique Šoda.

En rendant tous les autres effets transparents, les chercheurs pourraient alors avoir de meilleures chances de mesurer les photons, ou le rayonnement thermique provenant uniquement de l’effet Unruh, comme l’avaient prédit les physiciens.

Les chercheurs ont déjà quelques idées sur la façon de concevoir une expérience basée sur leur hypothèse. Ils prévoient de construire un accélérateur de particules de la taille d’un laboratoire capable d’accélérer un électron à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, qu’ils stimuleraient ensuite à l’aide d’un faisceau laser à des longueurs d’onde micro-ondes. Ils cherchent des moyens de concevoir le chemin de l’électron pour supprimer les effets classiques, tout en amplifiant l’effet Unruh insaisissable.

« Maintenant, nous avons ce mécanisme qui semble amplifier statistiquement cet effet via la stimulation », explique Sudhir. « Compte tenu des 40 ans d’histoire de ce problème, nous avons maintenant en théorie résolu le plus gros goulot d’étranglement. »