Quelle est la valeur de G?
par Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology
Le NIST a pris part à une nouvelle campagne visant à résoudre un problème persistant et croissant en physique : la valeur de G. La constante newtonienne de gravitation, utilisée par pour calculer la force d’attraction de la gravité entre les objets, a plus de 300 ans. Mais bien que les scientifiques essaient de mesurer sa valeur depuis des siècles, G n’est encore connu que de 3 chiffres significatifs. En revanche, d’autres constantes ont été mesurées avec beaucoup plus de précision; la masse de l’électron en kilogrammes, par exemple, est connue à environ 8 chiffres.i
Pire encore, plus les chercheurs mènent d’expériences pour cerner la constante gravitationnelle, plus leurs résultats divergent.
Les 9 et 10 octobre 2014, plusieurs dizaines de scientifiques du monde entier se sont réunis au NIST pour examiner leurs options.
« Nous sommes tous ici parce que nous avons un problème avec G – et je veux dire, mon garçon, avons-nous un problème avec G », a déclaré Carl Williams, Chef de la division de mesure quantique de PML, au groupe réuni le premier matin de la réunion. « C’est devenu l’un des problèmes graves que la physique doit résoudre. »
La constante gravitationnelle est familièrement connue sous le nom de « grand G » pour la distinguer du « petit g « , l’accélération due à la gravité terrestre.ii Malgré son nom, big G est minuscule – environ 6.67 x 10-11 m3 kg – 1 s-2 – et relativement faible, environ un trillion de trillions de trillions de fois plus faible que la force électromagnétique responsable de l’apposition d’aimants souvenirs sur les réfrigérateurs. Et sa faiblesse le rend difficile à mesurer.
Les expérimentateurs ont utilisé diverses approches – pendules oscillants, masses en chute libre, poutres d’équilibrage et balances de torsion qui mesurent le couple ou la rotation de fils supportant des masses attirées par d’autres masses. Mais un graphique de tous les résultats des 15 dernières années révèle une répartition relativement large des valeurs allant d’environ 6.67 x 10-11 m3 kg – 1 s-2.
En outre, CODATA – le Comité des données pour la Science et la technologie du Conseil International de la Science, qui analyse les résultats des expériences individuelles et fournit un ensemble de valeurs internationalement acceptées pour les constantes physiques fondamentales – a dû accroître l’incertitude sur sa dernière recommandation pour une valeur de G en raison de la divergence des expériences.iii
Lors de l’atelier du NIST, les 53 participants ont convenu à l’unanimité qu’il fallait faire quelque chose. Ils ont recommandé qu’une ou plusieurs organisations établissent des réunions annuelles ou semestrielles axées spécifiquement sur la campagne visant à déterminer la valeur de big G avec une plus grande précision, et ils ont soutenu l’idée de se concentrer sur de nouvelles approches de la mesure, telles que la configuration d’interférométrie atomique utilisée dans une expérience récente impliquant des atomes de rubidium refroidis au laser.iv
Le principal responsable de ces écarts est soupçonné d’être des incertitudes systématiques dans les mesures, et une grande partie de la discussion a porté sur la réduction du bruit. Une façon de résoudre ce problème, ont estimé les participants, est que différentes équipes mènent des expériences indépendantes en utilisant le même ensemble d’appareils. Deux groupes aux résultats particulièrement déviants ont offert leur matériel lors de la réunion, en attendant les discussions avec les équipes qui réutiliseront les ressources.
Les participants à l’atelier ont exprimé un intérêt modéré pour la formation d’un consortium, une organisation qui centraliserait le processus de recherche d’un consensus. L’un des avantages potentiels d’un consortium serait de fournir aux membres du NIST et d’autres Instituts nationaux de mesure (INM) un moyen de contribuer au soutien, par exemple sous la forme de services de métrologie de longueur de précision.
« De toute évidence, il n’y a pas de bonne réponse pour avancer », a déclaré Williams. « Mais il y a un soutien international autour de la résolution de la controverse du big G, et c’est donc un bon moment pour nous à cet égard. »
Plus d’informations: i La masse d’un électron est de 9.109 382 91 (40) x 10-31 kg, où le nombre entre parenthèses indique une incertitude dans les deux derniers chiffres.
ii Calculer l’attraction gravitationnelle entre deux objets nécessite de prendre le produit de deux masses et de diviser par le carré de la distance qui les sépare, puis de multiplier cette valeur par G. L’équation est F = Gm1m2/r2.
le dernier ensemble de CODATA iii, publié en 2010, recommandait une valeur pour G de 6,673 84 (80) x 10-11 m3 kg-1 s-2 par rapport à son précédent résultat de 2006 de 6,674 28 (67) x 10-11 m3 kg-1 s-2. Les valeurs entre parenthèses indiquent une incertitude-type (basée sur l’écart-type), dans ce cas plus ou moins 0,000 80 x 10-11 m3 kg-1 s-2 et plus ou moins 0,000 67 x 10-11 m3 kg-1 s-2 respectivement.
iv Dans cette expérience, les chercheurs ont poussé deux nuages d’atomes de rubidium froids dans une chambre à vide avec de la lumière laser. Les atomes accélérèrent différemment en fonction du placement de masses à haute densité (poids de tungstène totalisant environ 500 kg) disposées dans diverses configurations. Les différences d’accélération dues à l’attraction gravitationnelle des atomes sur les masses de tungstène pourraient être captées dans le motif d’interférence des nuages. G. Rosi, F. Sorrentino, L. Cacciapuoti, M. Prevedelli et G.M. Tino. Mesure de précision de la constante gravitationnelle newtonienne à l’aide d’atomes froids. Nature. Vol. 510. 518–521. 26 juin 2014. DOI: 10.1038/nature13433
Fourni par l’Institut National des normes et de la Technologie