Quiconque possède un diplôme d’études secondaires connaît la loi universelle de la gravitation de Newton: en vertu de cette loi, la force de gravité est inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare une masse d’une masse gravitationnelle. Et de nos jours, presque tout le monde a également entendu parler de la mécanique quantique grâce à l’avènement de l’informatique quantique, que même le premier ministre du Canada est en mesure d’expliquer.
Le fascinant comportement des systèmes quantiques tient au fait qu’ils peuvent permettre à un élément d’assumer simultanément deux états (sinon plus). Ainsi, une particule ayant une masse au repos positive («particule massive») peut se retrouver à deux endroits simultanément. Cela ne relève pas de la science-fiction: en effet, les interféromètres atomiques disposent régulièrement des atomes de césium ou de rubidium selon des configurations telles que l’état quantique de l’atome est scindé et présent en deux endroits, ces deux endroits pouvant être éloignés l’un de l’autre jusqu’à plusieurs centimètres.
De tels états sont très sensibles à la gravitation, ce qui a donné lieu à la mesure la plus précise que les scientifiques ont pu faire du champ gravitationnel terrestre, correspondant à 1/1015 à titre d’exemple. Mais la question est la suivante: quel champ gravitationnel une particule massive crée-t-elle dans un tel état quantique?
Pour répondre à cette question, les physiciens des particules de l’Université de Montréal Richard MacKenzie et Manu Paranjape travaillent depuis 2012 de concert avec leur collègue Urjit Yajnik, de l’Indian Institute of Technology Bombay, en Inde, bénéficiant d’une bourse de coopération Québec-Maharashtra accordée par le ministère des Relations internationales et de la Francophonie du Québec.
Avec de nombreux étudiants et étudiantes et d’autres collaborateurs et collaboratrices, ils ont produit un important corpus de recherches en physique théorique des particules, et leur étude la plus récente, qui vient à peine d’être publiée dans Physical Review Letters, la revue de l’American Physical Society, pose cette question: quel est le champ gravitationnel d’une masse dans une superposition quantique spatialement non locale? Leur découverte surprenante est la suivante: alors qu’il ne permettrait pas de savoir qu’une particule massive est scindée et présente en deux endroits à la fois, le champ gravitationnel semble ne provenir que d’un seul endroit, au vu de la position moyenne de la particule massive.
Pour en venir à cette conclusion, l’équipe s’est penchée sur les expériences en matière de diffusion menées par d’autres physiciens des particules, comme dans le Grand collisionneur de hadrons, expériences qui ont visé à scruter l’intérieur même des atomes, des noyaux et d’autres particules subatomiques. Les expériences de diffusion profondément inélastique réalisées à la fin des années 1970 ont également démontré la présence de quarks dans le noyau et confirmé la théorie de l’interaction forte, soit la chromodynamique quantique.
