Le sort de la cinquième interaction en physique est en jeu

"Écoutez, M. Galileo a tout calculé correctement." Cette conclusion n'était pas basée sur l'expérience la plus précise, mais c'était l'une des plus spectaculaires - car elle a eu lieu sur la lune.

En 1971, le cosmonaute de la mission Apollo 15, David Scott a laissé tomber une plume et un marteau d'une hauteur et a constaté qu'ils atteignaient simultanément la surface lunaire. L'accélération conférée par la gravité ne dépend pas de la composition ou de la masse corporelle, comme Galileo l'avait prévu dans son expérience (apocryphe) avec la tour penchée de Pise.

Ou cela dépend-il? Avance rapide à la première page du New York Times en janvier 1986: "Les indices d'une cinquième puissance dans l'univers changent les découvertes de Galileo ." Le journal a décrit le travail scientifique de la revue respectée Physical Review Letters, réalisé par le physicien Eframe Fischbach et ses collègues. Il a fourni la preuve que l'accélération conférée par la gravité dépend de la composition chimique de l'objet en question. Il s'est avéré que la gravité n'était pas ce que nous pensions: son effet, selon les auteurs, est influencé par ce que le journaliste du New York Times John Noble Wilford a appelé la «cinquième interaction», l'ajoutant aux quatre forces que nous connaissons déjà.



En plus de 30 ans, de nombreuses expériences ont été menées pour confirmer la présence de la cinquième force présumée. Malgré leur précision extrêmement élevée, aucun n'a fourni de preuve concluante de sa présence. Mais la recherche ne s'arrête pas. L'année dernière seulement, une nouvelle allusion séduisante à l'existence d'une telle force est apparue dans des expériences de physique nucléaire, qui ont conduit à de nouvelles spéculations et à de nouveaux troubles.

Les principes fondamentaux de la physique moderne sont en jeu. Certains physiciens pensent qu'une cinquième force est possible, voire nécessaire, pour étendre et unifier les théories qui existent aujourd'hui. D'autres espèrent qu'une telle force éclairera la mystérieuse matière noire, l'emportant sur toute la matière ordinaire de l'univers. Si elle existe, explique le physicien Jonathan Feng de l'Université de Californie à Irvine, «cela signifierait que nos tentatives d'unir des forces bien connues étaient prématurées, car il est désormais nécessaire de s'unir à la cinquième également.»

Et pourquoi discuter d'une nouvelle interaction fondamentale, s'il n'a aucune preuve? La motivation initiale était claire même à l'époque de Galileo. La masse peut être décrite de deux manières. L'une est l'inertie: la masse d'un objet est une résistance au mouvement, et plus la masse est grande, plus la résistance est grande. L'autre est la gravité: selon la loi de gravité de Newton, la force d'attraction subie par deux objets est proportionnelle au produit de leurs masses divisé par le carré de la distance entre eux. Cette force fait accélérer la pomme qui tombe. Et seulement si les deux définitions de la masse sont identiques, l'accélération gravitationnelle ne dépend pas de la quantité de masse accélérée.

Mais sont-ils identiques? Sinon, différentes masses tomberont sous l'influence de la gravité à différentes vitesses. L'idée intuitive qu'une grande masse devrait tomber plus vite a inspiré les gens à tester bien avant Galileo. Simon Stevin , naturaliste flamand, lança des boules de plomb depuis la tour de l'horloge à Delft en 1586, et ne vit pas la différence dans le temps qu'il leur fallut pour atteindre la terre. Newton lui-même a testé cette idée en 1680, mesurant si la période d'oscillation des pendules de masses différentes, mais de même longueur, coïncide - et ils devraient coïncider si l'accélération gravitationnelle est indépendante de la masse. Ses études ont été répétées avec plus de précision par le scientifique allemand Friedrich Wilhelm Bessel en 1832. Ils n'ont trouvé aucune différence apparente.

L'idée de la coïncidence des masses inertielles et gravitationnelles est connue sous le nom de « faible principe d'équivalence » (SPE). La question est devenue critique quand Einstein a formulé sa théorie générale de la relativité en 1912-1916, basée sur l'idée que les forces subies par un objet en raison de la gravité ne diffèrent pas des forces subies en raison de l'accélération. Si ce n'est pas le cas, alors GR ne fonctionnera pas.

"Le principe d'équivalence est l'une des hypothèses de base de la relativité générale", a déclaré Stephan Schlamminger, qui travaille dans le lieu saint des saints du monde des mesures précises, à l'Institut national des normes et de la technologie de Gaithersburg. «Et par conséquent, il doit être soigneusement vérifié. Les contrôles du principe d'équivalence sont relativement bon marché et simples, mais la détection d'une violation de celui-ci peut avoir de graves conséquences. Il serait téméraire de ne pas mener de telles expériences. »

Si le SEE échoue, nous aurons deux options. Ou l'expression newtonienne pour l'attraction de deux masses (présente en relativité générale pour les masses pas très grandes) est un peu inexacte, et elle doit être corrigée. Soit tout est en ordre avec la gravité, mais il y a une nouvelle et cinquième interaction qui l'affecte. La cinquième interaction s'ajouterait aux quatre déjà connues de nous: la gravité, l'électromagnétisme et les interactions fortes et faibles qui contrôlent les interactions des particules subatomiques dans les noyaux des atomes. Gravité modifiée ou cinquième interaction - la différence ici, selon Fischbach, est sémantique.

En tout cas, dit Feng, "il n'y a aucune raison pour que la cinquième interaction que nous n'avions pas remarquée auparavant n'ait pas pu exister".

Au moment où Einstein a connecté le PSE à sa nouvelle théorie de la gravité, ce principe a déjà été méticuleusement testé plusieurs fois. À la fin du XIXe siècle, le représentant de la noblesse hongroise, le baron Lorand Ötvös , qui travaillait à l'Université de Budapest, s'est rendu compte qu'il pouvait être contrôlé en utilisant l'équilibre de deux masses.

Eötvös a utilisé des échelles de torsion. Il a attaché deux objets aux extrémités d'un poteau suspendu à une corde. Si le poids des objets est le même - c'est-à-dire qu'ils ont la même masse gravitationnelle - alors le pôle est équilibré horizontalement. Mais les masses subissent également une force centrifuge due à la rotation de la Terre, en fonction de leur masse inertielle. Si la masse inertielle est équivalente à la gravité, alors toutes les forces seront équilibrées et le pôle ne bougera pas. Sinon, les masses devront s'écarter de l'horizontale en raison de la rotation de la Terre.

Et si l'écart des deux masses est différent - par exemple, si l'écart par rapport à la SPE dépend de la composition de la masse - alors le pôle subira un couple. Même si la rotation est très faible, elle peut être mesurée, par exemple, à l'aide d'un faisceau réfléchi par un miroir monté sur un poteau.

Mais le fait est que la force de gravité sur Terre varie en fonction du terrain. Notre planète n'est pas une sphère lisse et uniforme. Les pierres ont des densités différentes et exercent différentes forces gravitationnelles sur les objets. En raison de la précision de l'expérience d'Eötvös, même la présence de bâtiments universitaires à proximité pourrait ruiner les résultats. Une façon d'éliminer cette influence était de prendre des mesures dans deux orientations différentes du pôle - par exemple, lorsqu'il est dirigé d'ouest en est, puis du nord au sud. Dans les deux positions, les effets de la gravité devraient fonctionner de la même manière, mais les forces centrifuges seront différentes - par conséquent, tout écart par rapport à l'exécution de la SPE entraînera une différence de couple à différentes positions du pôle. Cette approche est cohérente avec la stratégie globale de réalisation d'expériences avec des équilibreurs - pas besoin de se soucier des effets locaux ou de la précision de la mesure des valeurs absolues.

Les perturbations locales peuvent également changer avec le temps - même un camion qui passe peut avoir un petit effet gravitationnel. Les chercheurs ont dû travailler sur l'élimination de ces variables. Même la présence d'un expérimentateur peut faire la différence. Par conséquent, les scientifiques hongrois étaient à une distance respectueuse tandis que l'équilibreur se calmait, puis se précipitèrent tête baissée vers le laboratoire pour prendre des mesures jusqu'à ce qu'il change de position (la période de son tour était de 40 minutes).

Etvös a construit des échelles de torsion afin qu'elles deviennent un travail d'ingénierie fine. À une extrémité du poteau se trouvait une masse standard de platine, et d'autres matériaux étaient fixés à l'autre extrémité. Les six se tenaient sur un trépied, capable de tourner pour ajuster son orientation. Les tours de poteau ont été suivis à l'aide d'un télescope et d'un miroir monté sur un poteau. De petites différences de température pouvaient déformer l'appareil et créer une rotation parasite, de sorte que toute la structure était enfermée dans une pièce fermée et isolée. Pour plus de précision, les chercheurs ont mené d'autres expériences dans une pièce sombre afin que la lumière n'entraîne pas de fluctuations de température. L'appareil lui-même se trouvait sous un auvent isolé thermiquement par des algues.


Ressentez l'indignation de la force: les échelles de torsion d'Eötvös étaient très sensibles à un moment de rotation, ce qui pourrait indiquer la présence d'une cinquième interaction

Les scientifiques hongrois ont commencé leurs expériences en 1889 et n'ont trouvé aucune rotation visible associée à un écart par rapport au principe d'équivalence dans les masses de plusieurs matériaux différents avec une précision de 1 partie pour 20 millions.

Ainsi, à la fin du 19e siècle, il n'y avait aucune raison de douter de l'EIT. Mais à ce moment, d'autres raisons ont commencé à apparaître. Par exemple, la découverte de la radioactivité a parlé de la présence d'une source d'énergie inconnue à l'intérieur des atomes. De plus, le GRT d'Einstein a donné un nouveau regard sur la matière et la masse. Il semblait que la masse pouvait être convertie en énergie - et cela dépendait également de la vitesse, augmentant à mesure que la vitesse de l'objet approchait de la vitesse de la lumière. Dans cet esprit, la Société scientifique royale de Göttingen en Allemagne a institué en 1906 un prix de 4 500 points pour des tests plus sensibles du principe d'équivalence de «l'inertie et de la gravité», offrant les expériences d'Eötvös comme référence.

Même Atvös lui-même n'a pas pu résister à la concurrence. «Il était un expert mondial dans de telles expériences», explique Fischbach. Lui et ses étudiants, Decco Pecar et Geno Fekete, ont dépoussiéré leur expérience d'équilibre de torsion et ont passé des milliers d'heures à vérifier d'autres matériaux: cuivre, eau, amiante, bois massif, etc. Ils ont envoyé leurs résultats en 1909, prétendant augmenter la précision de l'expérience à 1 partie sur 200 millions. Mais le rapport complet n'a été publié que trois ans après la mort d'Eötvös, en 1922. Un autre de ses étudiants, Janos Renner, a poursuivi son travail et l'a publié en 1935, annonçant la vérification de l'EIT avec une précision de 1 partie pour 2-5 milliards.

Une telle précision était-elle alors vraiment possible? Le physicien Robert Dick, spécialiste de la relativité générale, a exprimé des doutes à ce sujet, s'attaquant à un problème similaire dans les années 1960. Indépendamment du fait que sa critique soit vraie, lui et ses collègues ont utilisé des échelles de torsion plus complexes et ont atteint une précision d'une partie pour 100 milliards de dollars. Ils ont réussi à le faire en mesurant l'accélération des masses d'essai non seulement par la gravité de la Terre, mais aussi par la gravité du Soleil. Avec cette approche, il n'était pas nécessaire de perturber l'équilibre par la rotation de l'appareil: la direction de l'attraction gravitationnelle elle-même tournait lorsque la Terre se déplaçait en orbite autour du Soleil. Tout écart par rapport à la SPE montrerait des changements dans le signal, cohérents avec la période de rotation de la Terre de 24 heures, ce qui a permis de distinguer avec précision les données utiles des faux signaux résultant de changements gravitationnels locaux et d'autres facteurs. Dick et ses collègues n'ont vu aucun signe d'une telle déviation: aucun signe que la loi de Newton devait être corrigée par la cinquième interaction.

Les physiciens sont-ils satisfaits? Et quand sont-ils généralement heureux?

Fischbach s'est intéressé à la cinquième interaction après avoir entendu parler de l'expérience menée par son collègue de Purdue, Roberto Colelo et ses collaborateurs en 1975. Ils ont essayé de détecter des traces de l'influence de la gravité newtonienne sur les particules subatomiques. Fischbach s'est demandé s'il était possible de mener de telles expériences avec des particules subatomiques dans une situation où la gravité était suffisamment forte pour l'apparition d'effets relativistes, et pas seulement ceux newtoniens qui ne décrivent pas assez précisément la gravité. Une telle expérience pourrait offrir une toute nouvelle façon de tester la théorie d'Einstein.

Il a commencé à envisager la possibilité d'utiliser des particules exotiques de " kaons " et leurs antiparticules, des antikaons provenant d'accélérateurs de particules. En étudiant le travail kaon effectué à l'accélérateur du Fermilab, Fischbach a commencé à soupçonner que leur comportement pourrait être influencé par une nouvelle force, sensible à un paramètre tel que le nombre de baryons , B.

Cette propriété des particules fondamentales, contrairement à la masse ou à l'énergie, n'a pas de signification claire et quotidienne. Il est égal à la simple somme du nombre de composants, de quarks et d'antiquarks encore plus fondamentaux qui composent les protons et les neutrons dans les noyaux des atomes. Mais voici la chose: si la nouvelle force dépend du nombre de baryons, elle devrait dépendre de la composition chimique des matériaux, car différents éléments chimiques ont des nombres différents de protons et de neutrons. Plus précisément, cela dépendrait du rapport du nombre B aux masses des atomes constituant la substance. À première vue, ce rapport devrait être constant, car les masses atomiques sont obtenues à partir de la somme des protons et des neutrons. Mais en fait, une petite partie de la masse totale de tous ces composants est convertie en énergie, qui les lie ensemble et varie en fonction des atomes. Ainsi, chaque élément a son propre rapport unique de B à la masse.

Force dépendante de la composition. N'est-ce pas ce que cherchait Etvosh? Fischbach a décidé de rembobiner l'histoire et d'étudier attentivement les résultats des expériences du baron hongrois. À l'automne 1985, lui et son élève Carrick Talmadge ont calculé le rapport B / masse pour les substances utilisées par Atvös. Ce qu'ils ont découvert les a surpris eux-mêmes.

L'équipe hongroise a trouvé des écarts extrêmement faibles pour l'accélération gravitationnelle mesurée de diverses substances, mais, en l'absence d'un schéma clair de ces écarts, ils ont été attribués à des erreurs. Mais lorsque Fischbach et le Talmadge ont tracé des écarts en fonction du rapport B / masse, ils ont trouvé une ligne droite, indiquant l'existence d'une légère répulsion des masses, réduisant leur attraction gravitationnelle.


Fischbach, E. La cinquième force: une histoire personnelle. The European Physical Journal H 40, 385-467 (2015).

La composition chimique des objets utilisés par Etvosh n'a pas toujours été facile à reconstituer - cinq espèces végétales différentes sont appelées le bois de serpent, mais on ne sait pas comment déterminer la composition de la «graisse de mouton intérieure» - mais selon leurs calculs, la relation entre les valeurs est restée. Dans l'un des cas les plus surprenants, les écarts pour les cristaux de sulfate de platine et de cuivre étaient presque les mêmes. Il s'est avéré que presque toutes les propriétés de ces matériaux (densité, etc.) sont différentes, et les rapports B / masse sont presque identiques.

Fischbach et le Talmadge ont présenté ces résultats dans leur article acclamé de 1986, avec l'aide de Peter Buck, un post-doctorant dont la connaissance de l'allemand lui a permis de traduire le rapport original de l'équipe Etvös de 1922. Le critique était Dick, qui a exprimé des doutes, mais a finalement voté pour la publication. Dick a publié plus tard son travail, déclarant que les anomalies dans les mesures d'Eötvös peuvent être expliquées par l'effet de la température sur l'appareil. Mais il était encore assez difficile de voir comment ces effets conduiraient à une corrélation aussi convaincante avec une propriété aussi exotique que le nombre de baryons.

Après la publication, beaucoup ont écrit sur le travail - non seulement le New York Times, mais aussi le légendaire physicien Richard Feynman. Fischbach, que Feynman a appelé à la maison quatre jours après la publication de l'ouvrage, a même d'abord décidé qu'il s'agissait d'une sorte de canular. Feynman n'a pas été particulièrement impressionné par la découverte, comme il l'a dit à Fischbach et au Los Angeles Times. Mais sa réaction même à l'œuvre témoigne déjà de l'impression qu'elle a faite aux intéressés.

"Étant donné que notre travail a fait allusion à la présence d'une nouvelle interaction dans la nature", a écrit Fischbach, "il peut sembler surprenant que le processus d'examen se soit déroulé sans heurts." Il est possible que cette régularité soit due au fait qu'il y avait déjà des raisons théoriques et expérimentales de soupçonner l'existence d'une cinquième interaction.

En 1955, les physiciens américains d'origine chinoise, Li Zhengdao et Yang Zhennin , qui ont partagé le prix Nobel pour les travaux sur l'interaction des particules fondamentales deux ans plus tard, étaient intéressés par l'idée d'avoir une nouvelle interaction, en fonction du nombre de baryons, et ont même utilisé les travaux d'Etvosh pour indiquer des restrictions sur sa force. Lee a rencontré Fischbach une semaine seulement après la publication de son travail et l'a félicité pour cela.

De plus, dans les années 1970, deux géophysiciens d'Australie, Frank Stacy et Gary So, ont mesuré très précisément la constante gravitationnelle dans une mine profonde, qui détermine le rapport des masses et des forces dans l'équation newtonienne de l'attraction gravitationnelle. Ils ont obtenu une valeur très différente de celle obtenue auparavant dans les laboratoires. Cet écart pourrait s'expliquer, entre autres, par l'introduction d'une nouvelle force opérant à une distance de plusieurs kilomètres. Les mesures de Stacy et de Taka ont été en partie inspirées par les travaux du début des années 1970 du physicien japonais Yasunori Fujii, qui a exploré la possibilité d'une gravité non newtonienne.

Après 1986, la saison de chasse s'est poursuivie.Si la cinquième interaction agit à des distances de dizaines et de centaines de mètres, il sera possible de détecter des écarts par rapport aux valeurs prédites par la gravité newtonienne lorsque des objets tombent à une grande hauteur de la surface de la Terre. À la fin des années 80, une équipe du laboratoire de l'US Air Force à Hensky à Bedford. Le Massachusetts a mesuré l'accélération gravitationnelle à l'aide d'une tour de télévision de 600 mètres en Caroline du Nord et a signalé des signes d'une «sixième interaction» qui, contrairement à la répulsion de Fischbach, semblait améliorer la gravité. Mais après une analyse approfondie des travaux, ces déclarations ont été rejetées.

La recherche la plus approfondie a été effectuée à l'Université de Washington à Seattle par une équipe de physiciens qui a décidé de jouer avec les mots et à cause du son du nom de famille hongrois Eőtvős, qui a pris le nom d'Eot-Wash. Le physicien nucléaire Eric Adelberger a pris part à leurs travaux, à ce moment-là «il était devenu le meilleur expérimentateur au monde dans le domaine des écarts par rapport aux prévisions de gravité newtoniennes», comme l'a dit Fischbach. L'équipe Eot-Wash a utilisé des échelles de torsion de pointe et a pris de nombreuses précautions pour éliminer les éventuels artefacts. Ils n'ont rien trouvé.

L'une des expériences les plus mémorables et prometteuses a commencé immédiatement après l'annonce en 1986 et a été réalisée par Peter Tiberger du Brookhaven National Laboratory à Upton, pc. New YorkDans son expérience, une sphère de cuivre creuse flottait dans un réservoir d'eau au-dessus d'une falaise. En 1987, Tiberger a signalé que la sphère se déplaçait constamment vers une falaise, où l'attraction gravitationnelle de la pierre qui l'entourait était moindre - c'est exactement le comportement auquel on pouvait s'attendre s'il y avait une force répulsive s'opposant à la gravité. Et ce fut la seule preuve de l'existence de la cinquième interaction, publiée dans une célèbre revue scientifique. Pourquoi cette expérience a-t-elle conduit à un tel résultat? Personne ne sait pour l'instant. "On ne sait pas exactement ce qui n'allait pas avec l'expérience de Tiberger, et si quelque chose n'allait pas du tout", a écrit Fischbach.

En 1988, Fischbach comptait déjà 45 expériences à la recherche d'une cinquième interaction. Mais après cinq ans, seule l'expérience de Tiberger a montré quelque chose de similaire à elle. S'exprimant en l'honneur de la décennie de travail en 1986, Fischbach a admis: «Il n'existe actuellement aucune preuve expérimentale convaincante de tout écart par rapport aux prévisions de gravité newtoniennes. La prépondérance des données expérimentales existantes ne correspond pas à la présence de nouvelles interactions agissant sur des moyennes ou longues distances. »

Il semblait, comme le formulait tristement Fischbach, qu'il était devenu le découvreur de quelque chose d'inexistant. L'humeur générale a été prise par le physicien Lawrence Kraus, qui travaillait alors à l'Université de Yale, qui, en réponse à son travail de 1986, a officiellement soumis un jeu de dessin aux Physical Review Letters, dans lequel il aurait ré-analysé les expériences de Galileo avec l'accélération des boules qui roulaient sur la colline décrite dans le livre 1638, "Preuve mathématique relative à deux nouvelles branches de la science liées à la mécanique et au mouvement local", et aurait découvert des preuves d'une "troisième interaction" (en plus de la gravité et de l'électromagnétisme). La revue a rejeté l'œuvre, formulant un refus dans l'esprit de l'œuvre elle-même: au motif que six revues de cette œuvre étaient clairement écrites par l'auteur lui-même.

Après plusieurs décennies de non-détection universelle de la cinquième interaction, il peut être décidé que le jeu est terminé. Mais les physiciens cherchent des moyens d'élargir les fondements de leur science, et donc le désir de croire en l'existence de la cinquième interaction semble de plus en plus attrayant, et il y a de plus en plus de raisons à cela. «Vous pouvez maintenant trouver des milliers d'ouvrages décrivant de nouvelles interactions fondamentales qui pourraient être à l'origine du cinquième», explique Fischbach. "Plus qu'une motivation théorique suffisante."

Par exemple, des théories ultérieures, essayant d'étendre la physique au-delà du «modèle standard» qui décrit toutes les particules connues et leurs interactions, offrent plusieurs possibilités pour de nouvelles interactions, essayant de révéler la prochaine couche de réalité. Certains d'entre eux prédisent l'existence de particules capables d'agir comme porteurs d'interactions jusque-là inconnues, tout comme les interactions électromagnétiques, fortes et faibles sont associées à des particules porteuses comme un photon.

Un groupe de modèles prédisant une déviation de la gravité newtonienne est appelé dynamique newtonienne modifiée (MOND). Ils essaient d'expliquer certaines caractéristiques du mouvement des étoiles dans les galaxies, qui sont généralement expliquées à l'aide d'une hypothétique "matière noire" interagissant avec l'ordinaire uniquement (ou presque uniquement) par la gravité. Il n'y a pas encore de preuves pour les modèles MOND, mais certains physiciens les trouvent de plus en plus attrayants, car les recherches actives de particules de matière noire ne mènent à rien.

De plus, selon Feng, la cinquième interaction peut nous aider à trier la matière noire. À notre connaissance, il n'interagit avec la matière ordinaire que par gravité. Mais si elle ressent soudain la cinquième interaction, «cela peut nous fournir une sorte de« portail »à travers lequel nous pouvons enfin interagir avec la matière noire non seulement à l'aide de la gravité, et comprendre ce que c'est.

De plus, certaines théories qui utilisent plus de trois mesures qui nous sont familières - par exemple, les versions les plus populaires de la théorie des cordes par les physiciens - prédisent qu'à des distances allant jusqu'à un millimètre, il peut exister des forces similaires à la gravité, mais les dépassant considérablement en vigueur.

C'est précisément cette échelle que les scientifiques explorent actuellement. Et cela signifie mesurer des forces avec une extrême précision, en agissant entre de petites masses séparées par de très petites distances. Il y a trois ans, Fischbach et ses collègues ont pris des mesures impliquant des particules situées à des distances de 40 à 8 000 ppm. Le problème avec de telles mesures est qu'entre des objets aussi proches, une force d'attraction apparaît en raison de l'effet Casimir . Sa nature est la même que celle des forces de van der Waalstravaillant à des distances encore plus courtes et reliant les molécules les unes aux autres. Ils surviennent en raison du mouvement synchrone des nuages ​​d'électrons dans les objets, ce qui conduit à une attraction électrostatique due à la présence d'une charge sur les électrons. L'effet Casimir est ce que deviennent les forces de Van der Waals lorsque les objets sont suffisamment éloignés - de plus de quelques nanomètres - pour que le retard dans les fluctuations électroniques joue un rôle.

Fischbach et ses collègues ont trouvé un moyen de supprimer l'effet Casimir en le réduisant un million de fois, en couvrant les masses d'essai avec une couche d'or. Ils ont fixé une boule de saphir plaquée or d'un rayon de 1/150 000 mm à la plaque, dont les mouvements peuvent être contrôlés électroniquement. Ensuite, ils ont organisé la rotation du disque microscopique avec des zones recouvertes d'or et de silicium, juste sous la balle. S'il y a une différence dans l'interaction entre l'or et le silicium, cela devrait entraîner une vibration de la balle. Aucun effet de ce type n'a été trouvé, ce qui implique que des restrictions encore plus fortes peuvent être imposées à la force possible de la cinquième interaction, selon le matériau, à des échelles microscopiques.

Dans de telles expériences, vous pouvez utiliser des échelles de torsion. Des chercheurs du Cosmic Ray Research Institute de l'Université de Tokyo ont utilisé un tel appareil pour rechercher les écarts par rapport à l'effet Casimir standard dus à la cinquième interaction. Jusqu'à présent, ils n'ont trouvé que des restrictions plus strictes sur la force de cette interaction.

Outre la détection directe de la cinquième interaction, il est toujours possible de la trouver de la manière que Fischbach souhaitait à l'origine: à travers des collisions à haute énergie de particules fondamentales. En 2015, une équipe de l'Institut de recherche nucléaire de Debrecen, en Hongrie, dirigée par Attila Krasznahorkay, a rapporté des résultats inattendus d'une expérience. La forme instable des atomes de béryllium obtenue par bombardement de protons d'une feuille de lithium se désintègre et émet des paires d'électrons et leurs antiparticules, des positrons. Le nombre de paires électron-positon libérées par l'échantillon à un angle de 140 degrés dépassait les autres indicateurs, ce que les théories classiques de la physique nucléaire ne peuvent expliquer.

Ces résultats, en fait, ont été ignorés jusqu'à ce que Feng et ses collègues l'an dernier suggèrent qu'ils pourraient s'expliquer par l'apparition dans l'expérience d'une nouvelle particule d'interaction qui se désintègre rapidement en un électron et un positron. En d'autres termes, cette particule peut être porteuse de la cinquième interaction à courte distance, sur plusieurs billions de millimètres.

D'autres chercheurs n'ont pas encore reproduit cette expérience, mais les résultats des scientifiques hongrois semblent fiables. Les chances qu'il s'agisse d'une fluctuation statistique aléatoire sont faibles: 1 sur 100 milliards. "De plus, les données sont parfaitement cohérentes avec l'hypothèse qui prend en compte la nouvelle particule", précise-t-il. "S'il existe, c'est comme ça qu'il peut être trouvé." Schleminger convient que l'interprétation des observations hongroises par Feng a été «l'une des choses les plus fascinantes qui se soient produites en 2016».

"Nous devons encore confirmer l'existence d'une nouvelle particule", admet Feng, "mais une telle confirmation serait révolutionnaire, ce serait la plus grande découverte en physique des particules au cours des 40 dernières années." Son travail théorique prédit que sa supposée particule n'est que 33 fois plus lourde qu'un électron. Dans ce cas, il serait assez simple à obtenir dans les collisions de particules - mais c'est difficile à voir. «Il interagit très faiblement et nous avons montré qu'il n'aurait pas été détecté dans toutes les expériences précédentes», explique Feng. Vous pouvez peut-être le rechercher au Grand collisionneur de hadrons du CERN.

L'hypothèse de l'existence de la cinquième interaction n'est donc pas du tout épuisée. Nous pouvons dire que toutes les observations en physique fondamentale ou en cosmologie qui ne peuvent pas être expliquées par les théories existantes - par le modèle standard ou GR, devraient inciter les physiciens à raisonner sur de nouvelles interactions ou de nouveaux types de matière, tels que la matière noire et l'énergie sombre. C'est ainsi que la physique a toujours fonctionné: lorsque tout le reste ne rentre pas, vous placez une nouvelle figure sur le tableau et regardez comment elle se déplace. Bien sûr, nous n'avons pas encore vu de preuves convaincantes de l'existence de la cinquième interaction, mais personne n'a également observé de preuves directes de matière noire, de supersymétrie ou de mesures supplémentaires - mais elles ont été recherchées. Nous avons déjà exclu de nombreux territoires où la cinquième interaction aurait pu se produire,mais une vaste zone restait inexplorée.


Limitations de la force possible de la cinquième interaction α à grande (gauche) et petite (droite). Les zones jaunes indiquent les zones exclues et les étiquettes de bordure font référence à des expériences individuelles. Les lignes pointillées à petite échelle montrent les amplitudes possibles de la cinquième interaction prédite par diverses théories.

En tout cas, la recherche continue. En avril 2016, l'Agence spatiale européenne a lancé le microscope à satellite français, qui devrait tester le faible principe d'équivalence dans l'espace avec une précision sans précédent. Il utilise deux paires de cylindres insérés l'un dans l'autre en chute libre: une paire est faite du même alliage de platine et de rhodium, l'autre paire a un cylindre extérieur fait d'un alliage plus léger de titane-vanadium-aluminium. Si les cylindres chutent à une vitesse dépendant du matériau - et que les écarts par rapport au SES atteignent 1 fraction pour mille trillions (ce qui est 100 fois moins que ce qui peut être mesuré sur Terre), alors ils peuvent être déterminés à l'aide de capteurs électroniques.

«Les modèles de théorie des cordes prédisent les violations de SPE sur une échelle inférieure à un sur 10 000 milliards», explique Joel Berge, scientifique au Centre français de recherche aérospatiale de l'ONERA, responsable du projet Microscope. Il dit que les travaux scientifiques de la mission ont commencé en novembre dernier et que les premiers résultats apparaîtront cet été.

Malgré toutes ces expériences de haute technologie, Fischbach continue de revenir précisément aux expériences avec les poids de torsion d'Eötvös. Les Hongrois n'avaient alors aucune motivation théorique pour s'attendre à l'apparition d'une cinquième interaction, selon le matériau - rien qui pourrait les inciter inconsciemment à déformer les résultats de leur travail extrêmement précis. Et pourtant, ils ont trouvé quelque chose comme ça - pas une dispersion aléatoire des résultats, mais une déviation systématique. «Je continue de penser, peut-être que je manque quelque chose sur ce qu'ils ont fait là-bas», explique Fischbach. "Jusqu'à présent, cela reste un mystère."