Tester la gravité dans l'espace : vers un traitement réaliste de la gravité Caméléon dans la mission MICROSCOPE

Testing gravity in space : towards a realistic treatment of chameleon gravity in the MICROSCOPE mission

• Auteur / Autrice : Martin Pernot-Borràs
• Direction : Jean-Philippe Uzan, Joël Bergé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Reynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eugeny Babichev
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Clare Burrage, David Fonseca Mota

Mots clés

Mots clés contrôlés

Principe d'équivalence (physique)

Physique spatiale

Relativité (physique)

Expériences

Gravité

Mots clés libres

Tests de gravité

Gravité modifiée

Spatial

Principe d'équivalence

Mécanisme d'écrantage

Modèle caméléon

Gravity tests

Modified gravity

Spatial science

Equivalence principle

Screening mechanism

Chameleon model

Résumé

Ce travail examine la testabilité par des expériences menées dans l’espace de théories de gravité alternatives à la Relativité Générale. Il profite du contexte offert par la mission MICROSCOPE qui a récemment amélioré la précision du test du principe d’équivalence faible, principe pilier de la Relativité Générale. Etant la première expérience qui réalise ce test de précision dans un laboratoire dans l’espace, ses résultats étaient attendus pour tester des modèles de gravité présentant une dynamique dépendante de l’environnement via un mécanisme d’écrantage. Nous étudions le cas des théories tenseur-scalaire. Nous commençons par considérer de simples modèles non écrantés, afin d’en obtenir leur contrainte par MICROSCOPE, et d’explorer l’intrication entre la gravité modifiée et notre connaissance de la distribution en masse de la Terre. Nous considérons ensuite le modèle écranté Caméléon. Les non-linéarités de son mécanisme d’écrantage rendent la dépendance à l’environnement ainsi qu'au dispositif expérimental difficile à évaluer. Nous développons de nouvelles méthodes pour calculer le profil du Caméléon. La survenue de l’écrantage de MICROSCOPE et donc d’une 5ème force sourcée par l’extérieur est discutée. Nous explorons aussi l’émergence d’une 5ème force résultante d’asymétries dans sa géométrie interne. Nous caractérisons cette force et utilisons des sessions de mesures de la raideur électrostatique pour contraindre son existence. Les résultats de ces méthodes nous permettent aussi de comprendre l’influence du champ Caméléon sur le mouvement de particules chargées afin de proposer un nouveau concept de test.

This work investigates the testability by space-based experiments of gravity theories alternatives to general relativity. It enjoys the context of the MICROSCOPE mission that recently improved the precision on the test of weak equivalence principle, pilar principle of general relativity. Being the first experiment to perform such a precision test in a laboratory in space, its results were awaited for testing gravity models that exhibit an environmental dependent dynamics through a screening mechanism. We study the case of scalar-tensor theories. We start by considering simple unscreened models, to obtain their constraints by MICROSCOPE and to explore the entanglement between modified gravity and our knowledge about the Earth mass distribution. We then consider the screened chameleon model. The non-linearities of its screening mechanism makes its dependence to the environment and to the experimental apparatus challenging to evaluate. We develop new methods to compute the chameleon profile. The occurrence of screening in MICROSCOPE and thus of an externally sourced WEP-violating fifth force are discussed. We also explore the emergence of a fifth force as the result of asymmetries in its internal geometry. We characterise this force and take the advantage of stiffness-measurement sessions from MICROSCOPE to constraint its existence. The results of our methods also allows us to understand the influence of the chameleon field on the motion of charged particles and to propose a new concept of test.