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Le GAMS4, utilisé dans les expériences qui ont aidé à confirmer
la célèbre équation d'Einstein E=mc2
Spécifiquement, l'énergie (E) est égale à la masse (m) multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c2), une prédiction de la théorie d'Einstein de la relativité. En comparant les mesures de l'énergie émise par des atomes de silicium et de soufre au NIST avec les mesures de la masse de ces mêmes atomes au MIT, les scientifiques ont constaté qu'E diffère de mc2 d'au plus 0,0000004, soit de quatre dixième pour un million. Ce résultat est "compatible avec l'égalité" et est 55 fois plus précis que le meilleur test direct effectué précédemment de la formule d'Einstein.
De tels essais sont importants parce que la théorie d'Einstein est un axe central de la physique moderne et à la base de beaucoup d'expériences scientifiques (par exemple, le système de positionnement global GPS). D'autres chercheurs avaient auparavant exécuté des tests plus complexes qui fournissent un accord encore plus proche entre E et mc2, mais des suppositions supplémentaires étaient nécessaires pour interpréter leurs résultats.
Une mesure de l'énergie, une mesure de la masse
Selon les lois de base de la physique, chaque longueur d'onde d'une radiation électromagnétique correspond à une quantité spécifique d'énergie. L'équipe du NIST a déterminé la valeur de l'énergie dans l'équation d'Einstein, E = mc2, en mesurant soigneusement les longueurs d'ondes de rayons gamma émises par des atomes de silicium et de soufre.
Les essais se sont concentrés sur un processus bien connu: Quand le noyau d'un atome capture un neutron, l'énergie est libérée par émission de rayon gamma. La masse de l'atome, qui possède alors un neutron supplémentaire, doit selon la théorie égaler la masse de l'atome original, plus la masse d'un neutron solitaire, moins une valeur appelée l'énergie de liaison du neutron. Cette énergie est égale à l'énergie de la radiation gamma, augmentée d'une petite quantité d'énergie libérée par le "recul" du noyau.
Les rayons gamma dans ce processus ont les longueurs d'ondes inférieures au picomètre, un million de fois plus petit que celles de la lumière visible et sont diffractés par les atomes des cristaux suivant un angle particulier dépendant de l'énergie. Les scientifiques peuvent déduire de cet angle et de l'espacement des cristaux, l'énergie contenue dans les particules individuelles des rayons gamma.
Les expériences du NIST se sont déroulées à l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Les scientifiques y ont utilisé le GAMS4, appareil conçu à l'origine par des équipes du NIST, qui permet de mesurer des angles de diffraction avec une précision inférieure au dixième de degré.
L'équipe du MIT a mesuré pour sa part la valeur des masses utilisées dans les essais en plaçant deux ions (des atomes électriquement chargés) des mêmes éléments, dont un possédant un neutron supplémentaire, dans un petit piège électromagnétique. Les scientifiques ont compté le nombre de révolutions effectuées chaque seconde par chaque ion autour des lignes de champ magnétique dans le piège. La différence entre les fréquences a ensuite été utilisée pour déterminer la masse de chacun des ions. L'expérience a été exécutée tant avec des ions de soufre qu'avec des ions de silicium. Cette nouvelle technique à deux ions élimine en pratique l'effet de nombreuses sources "de bruit", comme la fluctuation des champs magnétiques, qui réduisent l'exactitude des mesures. Ce travail a conduit à des valeurs sensiblement améliorées pour les masses atomiques du silicium et du soufre.
Pour écouter un enregistrement audio d'Einstein expliquant sa célèbre équation: lien