Des chercheurs de l’Imperial College viennent de franchir une étape clé vers des détecteurs capables de traquer les ondes gravitationnelles et la matière noire. Pour la première fois, un prototype a démontré en conditions réalistes qu’on peut extraire un signal utile de mesures individuellement inutilisables — en comparant deux interféromètres atomiques pour annuler le bruit. Publié dans Nature, ce résultat ouvre la voie à des installations au CERN et à Fermilab.

Ce que vous allez apprendre

• Comment deux interféromètres atomiques peuvent révéler ce qu’aucun des deux ne peut mesurer seul
• Pourquoi le bruit laser était jusqu’ici le principal obstacle aux détecteurs quantiques de nouvelle génération
• Ce que ces capteurs pourraient détecter que les instruments actuels ne peuvent pas voir

Un obstacle fondamental : le bruit qui noie le signal

L’univers regorge de signaux extrêmement faibles — des ondes gravitationnelles issues de l’univers primitif, des signatures de matière noire encore jamais observées. Les détecter nécessite des instruments d’une précision extraordinaire.

Les interféromètres atomiques à longue base constituent l’un des outils les plus prometteurs. Leur fonctionnement repose sur des lasers qui séparent des nuages d’atomes ultrafroids puis les réunissent, permettant de mesurer avec une extrême précision de minuscules variations de leur comportement. Toute différence entre deux nuages d’atomes interrogés par le même laser pourrait révéler la présence d’un signal jusqu’ici indétectable.

Mais ces expériences se heurtent à un problème fondamental : le laser lui-même produit un bruit de phase bien supérieur aux signaux recherchés. Ce bruit masque tout.

Deux interféromètres valent mieux qu’un

La solution théorique était connue : comparer deux interféromètres pour annuler le bruit commun. Si les deux subissent le même bruit laser mais des signaux physiques différents, la comparaison élimine le bruit et révèle le signal. Mais cette approche n’avait jamais été validée dans des conditions réalistes.

C’est ce que l’équipe d’Imperial College a démontré dans le Laboratoire du strontium ultrafroid. Deux nuages de strontium-87 ultrafroid, séparés dans l’espace mais interrogés par le même laser d’horloge, ont été soumis à de grandes quantités de bruit de phase délibérément introduit — bien au-delà de ce que produisent naturellement les lasers les plus stables.

Pris individuellement, chaque interféromètre était inutilisable. Les figures d’interférence permettant normalement d’effectuer des mesures avaient disparu dans le bruit. Aucune information exploitable n’en sortait.

Mais comparés l’un à l’autre, les deux interféromètres ont révélé un signal net. La corrélation entre leurs mesures a fait émerger le comportement sous-jacent du système — et la mesure combinée opère à la limite fondamentale fixée par la physique quantique elle-même.

Crédit : Dr Thomas Walker, Imperial College London

1 / 1La petite sphère lumineuse au centre de cette chambre est un nuage d’atomes à une température proche du zéro absolu, en lévitation grâce à un faisceau laser bleu. Ces atomes seront encore refroidis avant de devenir de minuscules capteurs, orientés pour détecter les ondes gravitationnelles et la matière noire.

Un signal de matière noire détecté dans le bruit

Pour aller plus loin, les chercheurs ont introduit dans le système un signal oscillant artificiel, semblable à celui que pourrait produire une onde gravitationnelle ou un champ de matière noire. Ce signal restait clairement détectable par la mesure combinée — même lorsque chaque interféromètre pris séparément ne fournissait aucune information utilisable.

C’est la première démonstration expérimentale que ce principe fondamental des détecteurs de nouvelle génération fonctionne réellement dans des conditions proches de celles attendues dans de futures grandes installations.

La route vers le CERN et Fermilab

Ce prototype de table ouvre la voie à des instruments beaucoup plus ambitieux. La collaboration AION travaille au développement de versions à grande échelle, en partenariat avec le projet MAGIS au Fermilab aux États-Unis et avec une installation proposée au CERN — l’expérience d’interférométrie atomique du CERN, ou AICE. Ces futurs détecteurs exploreraient des bandes de fréquences d’ondes gravitationnelles encore inaccessibles et rechercheraient de nouvelles formes de matière invisible qui constituent une grande partie de l’univers.