Le Monde selon la Physique (PHYSICS WORLD) dec 2016 -2 ème partie -1

Aujourd’hui vous aurez droit à des traductions entières et non à des résumés

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ics

Quantum free fall at 8500 m

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Ultracold atoms study the equivalence principle on parabolic flight

Des essais « sans poids » qui comparent l'accélération gravitationnelle de deux objets quantiques différents ont été menés  par des physiciens en France. Réalisés en chute libre à bord d'un aéronef soumis à une trajectoire parabolique, les tests se sont montrés  trop insensibles pour tester l'idée émise de longue date , à savoir  que tous les corps tombent au même rythme (sous vide) dans un champ gravitationnel donné,…..Mais la recherche pourrait conduire à des expériences spatiales beaucoup plus puissantes et pourrait également entraîner le développement de nouvelles aides à la navigation.

L'universalité de la chute libre est une conséquence du principe d'équivalence, qui est au cœur de la théorie générale de la relativité d'Einstein. Elle indique que  masse inertielle et gravitationnelle sont égales, ce qui signifie que la masse d'un corps - ou même sa structure interne - n'a aucun rapport avec son accélération dans un champ gravitationnel. Par conséquent, deux corps ayant des masses ou compositions différentes vont accélérer à la même vitesse.

L'universalité a été testée avec une précision toujours plus grande depuis l'expérience mythique de Galilée à la tour penchée de Pise - et, jusqu'à présent,  elle n'a jamais échoué. L'expérience la plus précise à ce jour a été réalisée en 2008 par des chercheurs de l'Université de Washington à Seattle, qui a constaté que l'universalité se vérifiait  à une partie en 10^13.

Les physiciens voudraient augmenter la précision d'au moins un facteur de 100, puisque c’est à  ce niveau que certaines théories au-delà du modèle standard de la physique des particules prédisent que l'universalité de la chute libre se décomposera. En effet, une mission spatiale déjà en orbite autour de la Terre - le Micro-Satellite à Traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence ( en abrégé Microscope), développée par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) - est conçue pour atteindre une sensibilité d'environ 10-15 et pourrait produire ses premiers résultats significatifs au début de l'année prochaine.

Le microscope profite du fait que les satellites en orbite sont en chute libre vers la Terre. Par conséquent, les objets à l'intérieur du satellite sont eux-mêmes en chute libre pour beaucoup plus longtemps que toute masse tombant sur  Terre. Cela signifie que les mesures d'accélération peuvent en principe atteindre des sensibilités très élevées.

Le microscope, comme l'expérience de l'Université de Washington, étudie la chute libre de grands «objets classiques». En revanche, les derniers travaux, réalisés par Philippe Bouyer et Brynle Barrett du laboratoire LP2N à Bordeaux et collègues, utilisent des «objets quantiques». Ce sont des nuages ​​extrêmement froids de deux types d'atomes: le rubidium-87 et le potassium-39. Selon Bouyer, les systèmes atomiques présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux objets macroscopiques, y compris le fait qu'il n'y a aucune possibilité de contamination par des quantités inconnues d'impuretés. En outre, le spin et d'autres propriétés mécaniques quantiques des atomes peuvent être modifiés pour examiner  si cela provoque une violation du principe d'équivalence.

Les atomes de rubidium et de potassium sont laissés tomber sous l'influence de la gravité. À mesure qu'ils tombent, ils sont frappés par des lasers,  ce qui agissant en tant que diviseur de faisceau pour la matière, force  les paquets d'ondes des atomes à  se diviser et  à suivre deux trajets verticaux en même temps. A la fin de leur trajectoire, les deux états interfèrent les uns avec les autres, produisant une frange d'interférence. La comparaison de la position des franges produites par le rubidium et le potassium permet alors aux chercheurs d'établir si les deux types différents d'atome ont subi des changements de phase relatifs différents et ont donc connu des accélérations très légèrement différentes.

Les physiciens ont déjà utilisé des interféromètres à atomes froids pour étudier l'universalité de la chute libre, en  ayant atteint des sensibilités d'environ 10-8, mais ces expériences ont été effectuées sur le terrain. Comme avec les tests classiques, le but ultime est d'aller dans l'espace. Bouyer et ses collègues ne l'ont pas encore fait, mais ont plutôt profité des conditions presque sans poids à bord d'un avion Airbus spécialement adapté appartenant à la société française Novespace. L'avion "zéro-G" subit une chute libre pendant environ 20 s à la fois en grimpant à un angle d'environ 45 ° et ensuite en coupant ses moteurs juste assez pour annuler sa traînée d'air, de sorte qu'il trace une parabole tandis qu’ il accélère vers le bas  et sous gravité. L'avion tombe alors, relève  le nez de nouveau et trace une autre parabole  de chute libre, répétant le cycle à plusieurs reprises.

Bouyer et ses collègues ont mené près de 10 ans de travail minutieux sur de nombreux vols paraboliques pour stabiliser leurs équipements complexes dans l'environnement bruyant de l'avion. Cela leur a permis d'effectuer des tests sur le rubidium-87.Ainsi , l'équipe a comparé le comportement de deux types différents d'atome au cours de six vols l'année dernière.

Barrett dit que ce travail repose sur un certain nombre d'innovations techniques pour réduire les effets des vibrations à bord, qui peuvent atteindre environ 0,01 g, et la rotation rapide de l'avion, qui peut atteindre jusqu'à une révolution par minute pendant une parabole. Notant que lui et ses collègues ont testé l'universalité de la chute libre avec une sensibilité modeste de seulement 3 × 10-4, il ajoute que l'importance du travail a été de montrer l'adéquation de leur mise en place pour les essais spatiaux. «Les techniques que nous avons développées ici pourraient être exploitées par de nombreuses expériences au cours des prochaines années», a-t-il prédit.

L'étape suivante de l'équipe est d'effectuer de nouveaux tests au début de l'année prochaine pour montrer comment les atomes simples pourraient être utilisés pour la navigation «inertielle», ce qui implique de surveiller continuellement l'accélération et la rotation d'un corps au fil du temps. Au-delà de cela, certains membres du groupe travaillent également à exploiter la technologie de l'interféromètre sur une mission connue sous le nom Space-Time Explorer et Space-Time Explorer and QUantum Equivalence Principle Space Test (STE-QUEST).  . Mais selon Bouyer, le satellite d'environ 500 millions d'euros ne sera lancé qu'au moins en  2025. «C'est un gros projet à long terme, dit-il.

La recherche est décrite dans Nature Communications.

A propos de l'auteur :Edwin Cartlidge est un écrivain scientifique basé à Rome

 MON COMMENTAIRE  /Comme je l’ai souligné dans une série d’articles  récents  sur la gravitation  , il est important de  déterminer avec précision  maxi  le paramètre correspondant  , même si c’est difficile   , compte tenu de sa très faible valeur

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Fountain gives physicists time to study molecules

L'effet  fontaine donne aux physiciens le temps d'étudier les molécules

Une fontaine moléculaire a été créée qui permet aux molécules d'être observées pendant des temps très longs quand elles  tombent librement. Créée par Hendrick Bethlem et ses collègues de l'Université de Vrije aux Pays-Bas, la technique consiste à refroidir les molécules d'ammoniac à des températures  de l’ordre du milliKelvin, puis à les lancer vers le haut à environ 1,6 m / s. Les molécules peuvent alors être étudiées en chute libre aussi longtemps que 266 ms. Ce montage est similaire aux fontaines atomiques, qui permettent de mesurer très précisément les niveaux d'énergie atomique et constituent la base des horloges atomiques. Une fontaine moléculaire s'est avérée beaucoup plus difficile à créer parce que les molécules peuvent ,elles , vibrer et tourner - et cela rend très difficile de les refroidir et de les manipuler en utilisant des techniques laser conventionnelles. Bethlem et ses collègues ont surmonté ce problème en utilisant des gradients de champ électrique pour exercer des forces sur l'ammoniac, qui est une molécule polaire. L'équipe affirme que sa nouvelle fontaine moléculaire pourrait être utilisée pour rechercher de minuscules déviations par rapport au modèle standard de la  physique des particules - ce qui pourrait être révélé par de petits changements dans les niveaux d'énergie moléculaire. Des tests du principe d'équivalence de la théorie générale de la relativité d'Einstein pourraient également être réalisés en mesurant l'accélération due à la gravité de différents types de molécules. La fontaine est décrite dans Physical Review Letters.

  MON COMMENTAIRE   / Il est favorable car   les niveaux des  énergies de vibration - rotation  et  de rotation pure   des molécules  sont déterminées par les calculs  effectués par spectroscopie  sur  les  pics d’absorption   soit infra rouge   , proche et lointain soit par  RAMAN  et  ils subissent  l’effet  d’élargissement   statistique   inévitable  des  fluctuations quantiques   qui en altère la précision

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X-ray imaging technique could improve cancer treatment

Sharper image: XPCI (right) creates
a crisper image of biological tissue

Une technique d'imagerie par rayons X qui ne pouvait être pratiquée que dans de grandes installations de synchrotron a été adaptée pour un usage généralisé par Sandro Olivo à l'University College London et ses collègues. Appelé  « Imagerie par contraste de phase des rayons X » (XPCI), la méthode implique de mesurer les changements observés  dans la phase d'un faisceau de rayons X alors qu'il se déplace à travers un échantillon. Ceci est différent de l'imagerie classique par rayons X, qui mesure l'atténuation du rayon X. La technique permet de mieux distinguer les structures des tissus vivants, ce qui en fait un outil idéal pour l'imagerie médicale. XPCI est également meilleur pour trouver de minuscules fissures et des défauts dans les matériaux et pourrait également être utilisé pour détecter la présence d'armes et d'explosifs dans les bagages. Cependant, XPCI ne pouvait être fait qu'en utilisant les faisceaux de rayons X de type laser produits par les synchrotrons - qui sont d'énormes accélérateurs d'électrons. Désormais , Olivo et ses collègues ont développé une technique qui permet à  XPCI d'être réalisée en utilisant des rayons X générés par des sources médicales conventionnelles. Il s'agit d'abord de passer les rayons X à travers un «masque» contenant un réseau d'ouvertures pour créer un certain nombre de faisceaux. Ceux-ci interagissent alors avec l'échantillon avant de passer par un second masque vers un détecteur. Cette configuration convertit les différences de phase en différences d'intensité mesurée. "Nous avons maintenant avancé cette technologie embryonnaire pour la rendre viable pour l'utilisation quotidienne en médecine, les applications de sécurité, les lignes de production industrielles, la science des matériaux, les essais non destructifs, le secteur de l'archéologie et du patrimoine et toute une gamme d'autres a déclaré Olivo. La technologie a déjà été autorisée à Nikon Metrology UK pour une utilisation dans un scanner de sécurité et UCL et Nikon sont actuellement en développement d'un scanner médical.

MON COMMENTAIRE  / Il est très favorable car   pas mal d’examens médicaux par scanner  X  par atténuation doivent être doublés par des IRM   pour insuffisance de sensibilité  ….Je prophétise un développement intéressant et fructueux  de cette technique 

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Le bouquin de l année  selon PHYSICS WORLD

Robust defence of string theory winsPhysics World's 2016 Book of the Year

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Why String Theory? by Joseph Conlon is our choice for the year's best popular-physics book, while Cosmos: the Infographic Book of Space by Stuart Lowe and Chris North is Highly Commended

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Why String Theory? by Joseph Conlon">Why String Theory? by Joseph Conlon">Why String Theory? by Joseph Conlon">Our 2016 Book of the Year

Mathématiquement complexe et (jusqu'à présent) non étayée par des preuves expérimentales directes, la théorie des Cordes attire beaucoup de critiques. Pourtant, elle reste un domaine de recherche incroyablement actif, avec des milliers de physiciens et de mathématiciens à travers le monde travaillant sur des Cordes et  sur des idées connexes. Les raisons de sa popularité continue sont éloquemment présentées dans le livre de Joseph Conlon :Why String Theory? - Le livre de l'année   choisi par  le  Monde de la physique pour 2016.

«La théorie des cordes est beaucoup plus qu'une simple théorie de la gravité quantique: les gens peuvent l'utiliser pour toutes sortes de raisons», explique Conlon. "Quels que soient vos intérêts en physique, cela vous donne des concepts   à  repenser." Pour expliquer pourquoi cet état de fait , Conlon - un théoricien de Cordes  à l'université d'Oxford - commence le livre en décrivant les origines de la théorie de corde et montrant comment elle a changé au cours des années. Les chapitres suivants abordent les principales raisons pour lesquelles la théorie des cordes continue d'être un sujet de recherche populaire. Ceux-ci incluent le statut de la théorie comme une théorie candidate de la gravité quantique , l'intérêt qu'elle pose aux mathématiciens, mais aussi ses applications à la théorie quantique de champ, à la cosmologie et à la physique des particules.

Conlon présente  la théorie des cordes comme quelque chose qui est utile, même si ce n'est pas la «théorie du tout» ultime,  ce qui est inhabituel dans la presse  populaire sur la théorie des cordes - ou même toute autre  théorie physique. Cette approche claire et distincte a aidé le livre «  Pourquoi la théorie des cordes? » à se distinguent par une forte liste de livres qui sont tous nouveaux, bien écrits et scientifiquement intéressants pour les physiciens -  ce sont les critères utilisés pour déterminer le livre du Monde de la physique de l'année.

Conlon a déclaré à Physics World qu'il avait écrit le livre afin de «laisser se lâcher  l'autre côté de mon cerveau» après avoir présenté d’abord  des écrits scientifiques formels et d’esprit sec, souvent acerbe, qui s'adressent parfois aux défenseurs de la théorie des cordes et à ses détracteurs. À un moment donné, il décrit le concept  du  multivers comme « une incontinence de la spéculation jointe à  une  constipation de l'expérience», tandis qu'à un autre  moment il rappelle à  ceux qui cherchent la «preuve» d'un certain principe de théorie des cordes que «la physique n'est pas les mathématiques et  à ceux  qui ont des  scrupules  avec  cette question  qu’il serait  bien avisé  de savoir que le département des mathématiques sur le campus se trouve  généralement dans le prochain bâtiment donnant sur  la rue ».

 Le livre « Pourquoi la théorie des cordes? »avait la concurrence dure  de neuf autres livres sur la liste 2016. De façon inhabituelle, nous avons choisi un de ces livres pour une reconnaissance spéciale. Cosmos: le Livre Infographique de l'Espace a un format très différent des autres livres de notre liste, transmettant des informations sur l'exploration spatiale, la science planétaire, la cosmologie et plus par l'intermédiaire d'une série d'infographies colorées et élégantes. Écrit par Stuart Lowe et Chris North, avec la contribution du designer Mark McCormick, le livre est à la fois visuellement superbe et emballé avec des idées fascinantes, et son approche novatrice et bien exécutée lui a valu un statut hautement recommandé dans notre concours.

Pour en savoir plus sur ces livres, vous pouvez écouter le dernier podcast de Physics World, où nos éditeurs Tushna Commissariat et la rédactrice des révisions Margaret Harris discutent du gagnant et de trois autres livres sur la liste de 2016 avec le communicateur scientifique Andrew Glester , Créateur du podcast Cosmic Shed.

C'est la huitième année où le magazine a choisi un livre de l'année. Les gagnants précédents comprennent « Invasion sur la pelouse d'Einstein », la quête personnelle d'Amanda Gefter pour comprendre le sens du "rien" (2015); Stuff Matters, le salut de Mark Miodownik à la science des matériaux de tous les jours (2014); Et The Strangest Man, biographie de Graham Farmelo sur Paul Dirac (2009).

A propos de l'auteurMargaret Harris est rédactrice en chef de Physics World, courriel margaret.harris@iop.org

MON COMMENTAIRE /Le choix de ce livre  par la Physics world   a entrainé une furieuse bagarre dans le forum de la Revue  mais je vous laisse le plaisir de savourer   les 18 commentaires en anglais  car certains ne sont pas piqués des hannetons !

De toute façon la modération n’en laisserait pas tout passer !

Je ne suis pas sur que les théories des cordes ,supercordes ,branesques  , ekpyrotique , de gravité quantique etc   aient un grand avenir si un constat expérimental n’ arrive pas à prouver la réalité du concept …..

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Dual optical clock races towards peak precision

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System reduces dead time by switching between atomic ensembles

Une nouvelle horloge optique insensible à une importante source de bruit a été développée par les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) aux États-Unis. Les chercheurs croient que le nouveau design, qui permet à l'horloge d'atteindre sa précision de pointe beaucoup plus rapidement qu'avant, pourrait fournir une étape vers l'utilisation des horloges optiques pour être utilisé dans une plus large gamme d'applications que ce qui est possible aujourd'hui.

Les horloges à treillis optique piègent les atomes dans un potentiel d'onde stationnaire créé par deux faisceaux laser à contre-propagation. Un troisième laser est utilisé pour exciter et désexciter à plusieurs reprises une transition atomique spécifique, ce qui donne les «tics-tacs» de l'horloge. Le principal avantage de cette horloge par rapport à un chronométreur similaire basé sur des ions piégés est que des difficultés techniques empêchent actuellement à  plus d'un ion d’être  utilisé à la fois. Cela rend les horloges ioniques sujettes à l'aléatoire quantique inhérent à la façon dont l'ion se comporte lorsqu'il est excité par le laser -  ce qui est appelé bruit de projection quantique. Par contre, des milliers d'atomes neutres peuvent être utilisés simultanément dans le même piège, ce qui réduit considérablement le bruit de projection quantique.

En 2013, Andrew Ludlow et ses collègues du NIST à Boulder, au Colorado, ontfait la démonstration de  deux horloges à treillis optique qui sont stables à l'intérieur d'une demi-seconde record dans l'âge de l'univers. Les physiciens ont proposé que, si de telles horloges pouvaient être rendues suffisamment robustes pour être extraites  du laboratoire, les mesures précises de la dilatation du temps prises à divers points de la Terre pourraient donner un aperçu important de la composition interne de notre planète. L'utilisation de telles horloges dans l'espace pourrait permettre aux physiciens de chercher des déviations par rapport à la théorie générale de la relativité d'Einstein et d’ effets quantiques  intervenant dans la gravité.

Le «bruit de Dick» est un effet important dans les horloges optiques et il survient parce que les atomes ne peuvent pas être surveillés en continu. «Ils resteront typiquement dans le piège pendant quelques secondes avant que des molécules du gaz de fond ne leur  tombent dessus et ne les frappent comme des boules de billard», explique Ludlow, «et il nous faut donc en tirer un peu plus». Pendant le "temps mort" , pendant qu'ils se comportent ainsi   , la fréquence laser peut varier légèrement. L'effet de ces variations aléatoires peut être mesuré en moyenne pendant plusieurs heures, mais cela reste expérimentalement encombrant.

Les chercheurs ont tenté de minimiser le problème en utilisant des lasers à horloge ultra-stables. "Le laser d'horloge est devenu la partie la plus difficile de l'expérience", explique le membre de l'équipe Marco Schioppo, qui est maintenant à Heinrich Heine Université de Düsseldorf en Allemagne. "La cavité laser doit être aussi isolée que possible de l'environnement, à la fois thermiquement et vibrationnellement. Le laser d'horloge est certainement le seul équipement, qu’il soit extrêmement difficile de  déplacer n'importe où.

Schioppo, Ludlow et ses collègues ont maintenant produit une horloge contenant deux ensembles atomiques piégés - essentiellement un chronométreur comprenant deux horloges optiques. Alors qu'un piège est rempli et son état atomique préparé et mesuré, le laser est verrouillé à l'autre piège. Cela a été proposé avant, dit Ludlow, mais les chercheurs sont les premiers à le mettre en œuvre avec succès dans une horloge à treillis optique: «Pour pouvoir le faire avec juste deux horloges, vous devez vous assurer que le temps que vous pouvez de manière cohérente Interagir avec les atomes est au moins le même que la quantité de temps mort », explique-t-il. "Pour une longue période , le temps mort serait beaucoup plus grand que le temps de spectroscopie."

La nouvelle horloge atteint une stabilité extrême 10 fois plus rapide que l'horloge 2013 de l'équipe. «Dès que vous améliorez l'instabilité, vous diminuez l'échelle de temps pour vos mesures, et vous êtes vraiment en mesure d'identifier les effets systématiques plus efficacement», explique Schioppo. Les chercheurs suggèrent que, comme le laser est définitivement verrouillé à une cavité ou une autre, un système laser plus simple, plus robuste pourrait également être utilisé.

«Je pense que c'est un grand pas en avant», explique Helen Margolis, spécialiste de l'horloge optique du National Physical Laboratory à Teddington, au Royaume-Uni. Le métrologiste quantique Piet Schmidt de l'Université allemande de Leibniz de Hanovre est d'accord, bien qu'il ajoute que les nombreuses difficultés que les chercheurs ont dû surmonter le laissent se demander si le travail fournit un chemin plausible vers une horloge plus simple ou plus portable: "Vous devez avoir vos deux horloges synchronisées extrêmement finement pour  ne pas perdre un cycle de votre laser d'horloge. Si vous pouvez trouver un moyen de produire une source laser plus stable, vous pourriez avoir le même gain pour moins d'efforts, mais cela reste à voir.

La recherche est décrite dans Nature Photonics.

A propos de l'auteur

Tim Wogan est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni

 MON COMMENTAIRE / Je ne suis pas spécialiste de  la spectroscopie RAMSAY –BORDE   ( dite aussi d’adsorption par saturation )   et suggère à mes lecteurs de consulter   comme moi sur internet  la publication de  Nature  Photonics ; je comprends que la maitrise de ce «  bruit de   Dick » soit importante mais  je vois mal ce montage expérimental être utilisé par exemple  sur le terrain  pour «  tester la composition interne de notre planète » PHOTO DE L APPAREILLAGE 

Two for one: one of the optical clocks at NIST

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Half-quantum vortices spotted in superfluid helium-3 at long last

Spinning around: half-quantum vortices have been
seen in superfluid helium-3

Des vortex  quasi-quantiques sont repérés dans l'hélium-superfluide 3 en longue durée

L'impression d'artistes de vortex  semi-quantiques dans l'hélium-superfluide de l'artiste

Spinning around: les vortex semi-quantiques ont été

VuS dans l'hélium-superfluide-3

La première observation des tourbillons semi-quantiques (HQV) dans l'hélium 3 superfluide a été faite par des physiciens de l'Université Aalto en Finlande et de l'Institut P L Kapitza en Russie. Un vortex superfluide est un objet ponctuel autour duquel coule le superfluide. Le débit est quantifié en unités de h / m, où h est la constante de Planck et m la masse des particules constitutives du superfluide. Les HQV peuvent se produire lorsque les particules constitutives sont liées à des paires de particules plus fondamentales. C'est le cas de l'hélium-3 qui, lorsqu'il est refroidi, forme des "paires de Cooper" d'atomes qui se comportent collectivement comme un superfluide qui continuera à couler sans dissiper l'énergie. Les paires  de Cooper ont à la fois spin et moment orbital angulaire et les interactions entre ces deux quantités peuvent donner lieu à des  HQVs lorsque le superfluide est dans un environnement confiné. Cela a d'abord été prédit en hélium-superfluide-3 en 1976 et a été vu dans plusieurs autres systèmes physiques, y compris les supraconducteurs à haute température, où des paires d'électrons forment des HQV. A ce jour , Samuli Autti et collègues d'Aalto ont confiné l'hélium-superfluide 3 dans un matériau appelé nafen, qui contient une forêt de brins alignés qui sont séparés par environ 35 nm. L'hélium remplit les espaces entre les brins et l'équipe crée des tourbillons en faisant tourner l'échantillon autour de l'axe défini par les brins. Comme ils ne pouvaient pas voir les HQV directement, ils ont utilisé la résonance magnétique nucléaire pour mesurer la rotation par un signal généré par les moments magnétiques des noyaux d'hélium. «À l'avenir, notre découverte permettra d'accéder aux noyaux des vortex semi-quantiques, accueillant des modes Majorana isolés - des particules solitaires exotiques», explique Autti. "La compréhension de ces modes est essentielle pour le progrès du traitement de l'information quantique [et] la construction d'un ordinateur quantique." Le travail est décrit dans Physical Review Letters.

MON COMMENTAIRE  /Sans doute , en avez-vous marre de m’entendre pester sur toutes ces   éventuelles «  merveilles »  , étudiées pour cet ordinateur quantique   dont on nous rebats les oreilles depuis quelques années ….

 A SUIVRE