Expérience de Hughes-Drever

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Obtenu par une spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), ce graphique présente la distribution de fréquences (en PPM) des raies spectrales de l'isotope 7Li dissout dans une solution aqueuse de D2O où la concentration du LiCl est de 1 mol/L.
Puisque les fréquences sont regroupées dans un seul pic (autour de 0,00 PPM), l'isotope du lithium ne montre aucune anisotropie massique. Si la spectroscopie avait duré 24 heures, le temps d'une rotation complète de la Terre, alors ce graphique aurait permis de confirmer que la masse du 7Li est isotrope même si l'orientation du champ magnétique a changé par rapport à une masse galactique lointaine, comme le centre de la Voie lactée.

L’expérience de Hughes–Drever (aussi appelée l'expérience de comparaison des horloges, de l'anisotropie des horloges, de l'isotropie des masses ou de l'isotropie de l'énergie) est une série de tests spectroscopiques qui a permis de confirmer l'isotropie de la masse et l'isotropie de l'espace dans un champ magnétique variable. Cette expérience a été réalisée par deux physiciens de façon indépendante : Vernon Hughes (en) et Ronald Drever, qui ont tous deux utilisés la même approche.

Conçue au départ comme une vérification du principe de Mach, elle est plutôt considérée au XXIe siècle comme une importante validation de la covariance de Lorentz. Comme dans l'expérience de Michelson–Morley, l'existence d'un référentiel absolu ou de toute autre violation de la covariance de Lorentz peut être testée, ce qui permet aussi de valider le principe d'équivalence. Donc, cette expérience concerne à la fois la relativité restreinte et la relativité générale. À l'opposé des expériences de type Michelson–Morley, l'expérience de Hughes–Drever teste l'isotropie des interactions de la matière même, plus précisément des protons, des neutrons et des électrons. La précision atteinte par les expériences ultérieures qui s'en inspirent ont confirmé avec encore plus de précision les deux théories relativistes[1],[2],[3],[4],[5],[6].

Une même approche par deux expérimentateurs[modifier | modifier le code]

Giuseppe Cocconi et Edwin Salpeter théorisent en 1958 que l'inertie d'un corps massif dépend de masses à proximité selon le principe de Mach. Une distribution non-uniforme de la matière serait donc à l'origine de l'anisotropie de l'inertie (l'inertie d'un corps massif serait donc différente selon la direction d'où elle mesurée). Des arguments heuristiques les amènent à conclure que l'anisotropie inertielle, si elle existe, serait principalement le fait du noyau de notre Galaxie (qui pèse des milliards de tonnes). Ils affirment que cette anisotropie pourrait être observée de deux façons : en mesurant la séparation Zeeman dans un atome[7] ou en mesurant la séparation Zeeman de l'état excité du noyau de 57Fe grâce à l'effet Mössbauer[8].

Vernon Hughes (en) et al. (1960)[9] et Ronald Drever (1961)[10] conduisent de façon indépendante des expériences spectroscopiques dans le but de confirmer le principe de Mach. Ils n'utilisent pas l'effet Mössbauer, mais font des mesures à l'aide de la résonance magnétique nucléaire (RMN) du noyau du lithium 7 (7Li), dont l'état fondamental possède une spin de 3⁄2. Cet état se sépare en quatre niveaux magnétiques égaux lorsque mesurés dans un champ magnétique (en accord avec les états autorisés par le nombre quantique magnétique de l'atome de lithium). La fonction d'onde du noyau présente une distribution spatiale différente selon la direction du champ magnétique et le niveau d'énergie. Si l'isotropie de la masse est satisfaite, chaque transition entre deux niveaux d'énergie voisins devrait émettre un photon de même fréquence. Dans la distribution statistique des fréquences, il ne devrait apparaître qu'un seul mode et toutes les fréquences devraient être fortement concentrées autour de ce mode ; en spectroscopie, on parle de raie spectrale. Toutefois, si l'inertie dépend de la direction, il y aura un étalement des fréquences, que ce soit sous forme de plusieurs raies ou d'une courbe aplatie. En ce qui concerne Drever, il mène une expérience qui dure 24 heures de suite, période pendant laquelle la Terre tourne sur elle-même et l'axe de son champ magnétique balaie différentes parties du ciel. Drever porte particulièrement attention au comportement du spectre lorsque l'axe du champ magnétique pointe vers le centre de la Voie lactée[11]. Ni Hughes et ni Drever n'observent de changement fréquentiel des niveaux d'énergie. À cause de la précision de leur expérience, l'anisotropie fréquentielle maximale est de 0,04 Hz.

En ce qui concerne l'influence des expériences sur le principe de Mach, Robert Dicke démontre en 1961 qu'ils sont en accord avec le principe à la condition que l'anisotropie de l'espace soit la même pour toutes les particules[12],[13].

Interprétation moderne[modifier | modifier le code]

Bien que le but de cette expérience était de valider le principe de Mach, il a depuis reconnu comme un test important pour la covariance de Lorentz et la relativité restreinte.

En effet, l'anisotropie se manifesterait s'il existait un référentiel absolu ou s'il y avait un référentiel qui violait la covariance de Lorentz. Dans ce dernier cas, sa manifestation la plus étudiée est le fond diffus cosmologique qui peut servir d'équivalent d'éther luminifère. Donc, les échecs de l'expérience de Hughes–Drever et de l'expérience de Michelson–Morley éliminent l'existence d'un référentiel absolu.

Selon le relativiste Clifford Martin Will (en) notamment, l'expérience de Hughes–Drever confirme la validité de la relativité restreinte. En effet, une violation des conditions de Lorentz pourrait mener à des différences entre la vitesse maximale de particules dotées d'une masse et la vitesse de la lumière. Si elles étaient différentes, les propriétés des interactions de la matière changeraient. De plus, pour confirmer la validité du principe d'équivalence de la relativité générale, il est essentiel que la covariance de Lorentz soit vérifiée dans les référentiels en mouvement[1],[2].

Puisque différentes fréquences sont comparées, cette expérience est aussi appelée « expérience de comparaison des horloges »[3],[4] (les fréquences sont équivalentes à des horloges).

Expériences ultérieures[modifier | modifier le code]

Article connexe : Recherches modernes de violations de l'invariance de Lorentz.

En plus de recherches d'une violation de l'invariance de Lorentz ou d'une confirmation du principe de Mach, des chercheurs tentent aussi de découvrir aussi une violation spontanée de l'invariance de Lorentz (donc, par observation de phénomènes naturels) et la symétrie CPT. Ces recherches sont motivées par des prédictions des théories de la gravité quantique. L'expérience de Hughes–Drever a aussi été appliquée, mutatis mutandis, aux neutrons et aux protons. Utilisant des systèmes de particules à spins polarisés, la précision de ces expériences surpasse celle des expériences originales. De plus, en utilisant des balances de torsion à spins polarisés, la section de l'électron a aussi été testée[5],[6]. Aucune de ces expériences n'a mis en évidence quelque violation que ce soit ni permis d'affirmer que le principe de Mach (dans sa formulation originale) est valide. Il n'y a donc aucun référentiel absolu.

Les valeurs du tableau qui suit sont reliées aux coefficients donnés par l'extension du modèle standard des particules (Standard-Model Extension : SME), régulièrement utilisé comme théorie effective. Par la suite, toute déviation de l'invariance de Lorentz peut être reliée à un ou plusieurs coefficients. Puisque plusieurs coefficients sont testés pendant ces expériences, seule la valeur de la sensibilité maximale est donnée (consulter les articles pour plus de précisison) [3],[14],[4].

Auteur Année Écart avec
coefficient SME 		Description
Proton Neutron Électron
Prestage et al.[15] 1985 10−27 Comparaison de la transition du spin du noyau dans 9Be+ (stocké dans un piège de Penning) avec celle d'un maser à l'hydrogène.
Phillips[16] 1987 10−27 Des oscillations sinusoïdales ont été étudiées à l'aide d'un pendule de torsion à spin qui soutient un aimant polarisé transversalement.
Lamoreaux et al.[17] 1989 10−29 Ils ont induit une polarisaton dipolaire et quadripolaire du spin dans une vapeur de

209Hg, où les sauts d'énergie du quadrupôle peuvent être observés.

Chupp et al.[18] 1989 10−27 Les niveaux de séparations Zeeman quadripolaires sont étudiés. Un gaz de 21Ne et un gaz de 3He sont polarisés par échange de spin, puis comparés.
Wineland et al.[19] 1991 10−25 Les liens dipôle-monopôle anomaux et les liens dipôle-monopôle anomaux sont étudiés en analysant les résonances hyperfines dans 9Be+.
Wang et al.[20] 1993 10−27 Un pendule de torsion à spin soutenant une masse de Dy-Fe à spin polarisé est étudié lors de variations sidérales.
Berglund et al.[21] 1995 10−27 10−30 10−27 Comparaison des fréquences de 199Hg et 133Cs soumis à un champ magnétique variable.
Bear et al.[22] 2000 10−31 Comparaison des fréquences de masers Zeeman au 129Xe et au 3He.
Phillips et al.[23] 2000 10−27 La fréquence Zeeman est mesurée par des masers à l'hydrogène.
Humphrey et al.[24] 2003 10−27 10−27 Semblable à Phillips et al. (2000).
Hou et al.[25] 2003 10−29 Semblable à Wang et al. (1993).
Canè et al.[26] 2004 10−32 Semblable à Bear et al. (2000).
Wolf et al.[27] 2006 10−25 Les fréquences atomiques sont mesurées dans une fontaine atomique refroidie par un laser à 133Cs.
Heckel et al.[28] 2006 10−30 Utilisation d'un 'un pendule de torsion à spin avec quatre sections d'Alnico et quatre sections de Sm5Co.
Heckel et al.[29] 2008 10−31 Semblable à Heckel et al. (2006).
Altarev et al.[30] 2009 10−29 Analyse des fréquences de précession de spin dans de neutrons de neutrons et de 199Hg.
Brown et al.[31] 2010 10−32 10−33 Comparaison des fréquences dans un co-magnétomètre au K / 3He.
Gemmel et al.[32] 2010 10−32 Comparaison des fréquences dans un co-magnétomètre au 129Xe / 3He.
Smiciklas et al.[33] 2011 10−29 Comparaison des fréquences dans un co-magnétomètre au 21Ne / Rb / K. Test de la vitesse maximale possible des neutrons.
Peck et al.[34] 2012 10−30 10−31 Semblable à Berglund et al. (1995).
Hohensee et al.[35] 2013 10−17 Mesures des fréquences de transition de deux états presque dégénérés de 164Dy and 162Dy. Test de la vitesse maximale possible des électrons.
Allmendinger et al.[36] 2013 10−34 Semblable à Gemmel et al. (2010).

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de la page de Wikipédia en anglais intitulée « Hughes–Drever experiment » (voir la liste des auteurs).

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  2. ↑ a et b (en) C. M. Will, « Stable clocks and general relativity », Proceedings of the 30th Rencontres de Moriond,‎ , p. 417 (Bibcode 1995dmcc.conf..417W, arXiv gr-qc/9504017)
  3. ↑ a b et c (en) V. Alan Kostelecký et Charles D. Lane, « Constraints on Lorentz violation from clock-comparison experiments », Physical Review D, vol. 60, no 11,‎ , p. 116010 (DOI 10.1103/PhysRevD.60.116010, Bibcode 1999PhRvD..60k6010K, arXiv hep-ph/9908504, S2CID 119039071)
  4. ↑ a b et c (en) David Mattingly, « Modern Tests of Lorentz Invariance », Living Rev. Relativ., vol. 8, no 5,‎ , p. 5 (PMID 28163649, PMCID 5253993, DOI 10.12942/lrr-2005-5, Bibcode 2005LRR.....8....5M, arXiv gr-qc/0502097, lire en ligne)
  5. ↑ a et b (en) Maxim Pospelov et Michael Romalis, « Lorentz Invariance on Trial », Physics Today, vol. 57, no 7,‎ , p. 40–46 (DOI 10.1063/1.1784301, Bibcode 2004PhT....57g..40P, lire en ligne [PDF])
  6. ↑ a et b (en) R. L. Walsworth, « Tests of Lorentz Symmetry in the Spin-Coupling Sector », dans Jürgen Ehlers et Claus Lämmerzahl, Special Relativity, vol. 702, Springer, (ISBN 978-3-540-34522-0, DOI 10.1007/3-540-34523-X_18), p. 493-505
  7. ↑ (en) G. Cocconi et E. Salpeter, « A search for anisotropy of inertia », Il Nuovo Cimento, vol. 10, no 4,‎ , p. 646–651 (DOI 10.1007/BF02859800, Bibcode 1958NCim...10..646C, S2CID 123226805)
  8. ↑ (en) G. Cocconi et E. Salpeter, « Upper Limit for the Anisotropy of Inertia from the Mössbauer Effect », Physical Review Letters, vol. 4, no 4,‎ , p. 176-177 (DOI 10.1103/PhysRevLett.4.176, Bibcode 1960PhRvL...4..176C)
  9. ↑ (en) V. M. Hughes, H. G. Robinson et V. Beltran-Lopez, « Upper Limit for the Anisotropy of Inertial Mass from Nuclear Resonance Experiments », Physical Review Letters, vol. 4, no 7,‎ , p. 342-344 (DOI 10.1103/PhysRevLett.4.342, Bibcode 1960PhRvL...4..342H)
  10. ↑ (en) R. W. P. Drever, « A search for anisotropy of inertial mass using a free precession technique », Philosophical Magazine, vol. 6, no 65,‎ , p. 683-687 (DOI 10.1080/14786436108244418, Bibcode 1961PMag....6..683D)
  11. ↑ (en) Marcia Bartusiak, Einstein's Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time, Joseph Henry Press, (ISBN 0425186202, lire en ligne), p. 96–97 :

    « 'I watched that line over a 24-hour period as the Earth rotated. As the axis of the field swung past the center of the galaxy and other directions, I looked for a change,' recalls Drever. »
  12. ↑ (en) R. H. Dicke, « Experimental Tests of Mach's Principle », Physical Review Letters, vol. 7, no 9,‎ , p. 359–360 (DOI 10.1103/PhysRevLett.7.359, Bibcode 1961PhRvL...7..359D)
  13. ↑ (en) Robert Dicke, The Theoretical Significance of Experimental Relativity, Gordon and Breach, (lire en ligne Inscription nécessaire)
  14. ↑ (en) Li-Shing Hou, Wei-Tou Ni et Yu-Chu M. Li, « Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance », Physical Review Letters, vol. 90, no 20,‎ , p. 201101 (PMID 12785879, DOI 10.1103/PhysRevLett.90.201101, Bibcode 2003PhRvL..90t1101H, arXiv physics/0009012, S2CID 28211115)
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  25. ↑ (en) Hou, Li-Shing, Ni, Wei-Tou et Li, Yu-Chu M., « Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance », Physical Review Letters, vol. 90, no 20,‎ , p. 201101 (PMID 12785879, DOI 10.1103/PhysRevLett.90.201101, Bibcode 2003PhRvL..90t1101H, arXiv physics/0009012, S2CID 28211115)
  26. ↑ (en) Canè, F., Bear, D., Phillips, D. F., Rosen, M. S., Smallwood, C. L., Stoner, R. E., Walsworth, R. L. et Kostelecký, V. Alan, « Bound on Lorentz and CPT Violating Boost Effects for the Neutron », Physical Review Letters, vol. 93, no 23,‎ , p. 230801 (PMID 15601138, DOI 10.1103/PhysRevLett.93.230801, Bibcode 2004PhRvL..93w0801C, arXiv physics/0309070, S2CID 20974775)
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  31. ↑ (en) Brown, J. M., Smullin, S. J., Kornack, T. W. et Romalis, M. V., « New Limit on Lorentz- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions », Physical Review Letters, vol. 105, no 15,‎ , p. 151604 (PMID 21230893, DOI 10.1103/PhysRevLett.105.151604, Bibcode 2010PhRvL.105o1604B, arXiv 1006.5425, S2CID 4187692)
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Liens externes[modifier | modifier le code]

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Vitesse/Isotropie
Invariance de Lorentz
Dilatation du temps/
Contraction des longueurs
Énergie relativiste
Fizeau/Sagnac
Alternatives
Général
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