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Une expérience inédite visant à simuler le cosmos à l’aide d’atomes de potassium ultra-froids suggère que, dans un Univers courbe en expansion, des paires de particules émergent littéralement du vide.

La première simulation d’un Univers courbe et en expansion utilisant des atomes ultra-froids

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, Markus Oberthaler et ses collègues de l’université de Heidelberg ont créé en laboratoire un mini-univers artificiel, en refroidissant à l’aide de lasers plus de 20 000 atomes de potassium dans le vide. Lorsque leur température a atteint 60 nanokelvins (une fraction seulement au-dessus du zéro absolu), les atomes ont formé un nuage quantique de la largeur d’un cheveu humain, connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein (CBE).

Lorsqu’ils se trouvent dans cette phase quantique, les atomes se comportent essentiellement comme une seule et même entité physique et peuvent être contrôlés grâce à la lumière. Utilisant un minuscule projecteur, les chercheurs ont réglé avec précision leur densité, leur disposition dans l’espace ainsi que les forces qu’ils exerçaient les uns sur les autres.

En modifiant ces propriétés, l’équipe a fait en sorte que les atomes suivent une équation appelée « métrique de l’espace-temps » qui, dans un Univers réel et à grande échelle, détermine sa courbure, la vitesse de déplacement de la lumière ainsi que la courbure de cette dernière à proximité d’objets très massifs. Selon Oberthaler, il s’agit de la première expérience utilisant des atomes ultra-froids pour simuler un Univers courbe et en expansion.

Lorsque les chercheurs ont utilisé leur projecteur pour que les atomes imitent un Univers en expansion, ils se sont déplacés exactement selon le motif d’ondulation auquel on pourrait s’attendre si des paires de particules apparaissaient (un phénomène appelé « production de paires de particules »). Ce qui indique que les paires de particules peuvent être produites dans un Univers en expansion, comme le nôtre.

D’importantes implications

« Cette nouvelle expérience constitue un terrain de jeu très précis pour associer les effets quantiques et la gravité », commente Allessio Celi, de l’université autonome de Barcelone. «
Les physiciens ne savent pas vraiment comment ces deux phénomènes se combinent au sein de l’Univers dans lequel nous vivons, mais les expériences avec des atomes ultra-froids peuvent leur permettre de tester certaines idées, et elles pourraient inspirer de nouvelles cibles d’observation dans notre cosmos beaucoup plus vaste et plus complexe. »

Pour Stefan Floerchinger, co-auteur de la nouvelle étude, de futures expériences exploitant le même cadre pourraient notamment permettre de mieux comprendre les propriétés quantiques de notre Univers.

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