Contraintes sur les violations à la symétrie de Lorentz par analyse des données de télémétrie laser Lune

par Adrien Bourgoin

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Soutenue le 19-12-2016

à Paris 6 , dans le cadre de Ecole doctorale Astronomie et Astrophysique d'Ile de France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Systèmes de Référence Temps Espace (laboratoire) .

Le jury était composé de Bruno Sicardy, Luc Blanchet, Véronique Dehant, Daniel Hestroffer, Anne Lemaitre, Gilles Métris, Éric Gourgoulhon.


  • Résumé

    La relativité générale (RG) et le modèle standard des particules permettent de comprendre les quatre interactions fondamentales de la nature. La formulation d'une théorie quantique de la gravitation permettrait d'unifier ces deux tenants de la physique moderne. D'après les grandes théories d'unification, une telle union est possible moyennant la brisure de certaines symétries fondamentales apparaissant à la fois en RG et dans le modèle standard telle la symétrie de Lorentz. Les violations de la symétrie de Lorentz peuvent être paramétrées dans tous les domaines de la Physique par une théorie effective du champ appelée extension du modèle standard (SME). Une violation au principe d'invariance locale de Lorentz dans le secteur gravitationnel serait supposée engendrer des perturbations dans la dynamique orbitale des corps présents dans le système solaire, notamment la Lune. Ainsi, à partir des données extrêmement précises de télémétrie laser, l'orbite lunaire peut être minutieusement analysée afin de débusquer d'éventuelles anomalies dans son mouvement. Dans cette optique, ELPN (Ephéméride Lunaire Parisienne Numérique), une nouvelle éphéméride lunaire intégrée dans le cadre du formalisme SME a été développée durant la thèse. ELPN fournit les solutions au problème lunaire sous la forme de séries temporelles datées en temps dynamique barycentrique (TDB). Parmi les solutions numériquement intégrées, mentionnons la position et la vitesse du vecteur barycentrique Terre-Lune, les angles de librations lunaires, la différence entre le temps terrestre et le TDB, ainsi que l'ensemble des dérivées partielles intégrées depuis l'équation aux variations. Les prédictions de l'éphéméride ont été utilisées afin de réduire les observations lunar laser ranging (LLR). Dans le cadre de la RG, la dispersion des résidus s'est avérée en accord avec les dispersions calculées à partir des éphémérides INPOP13b et DE430. Dans le cadre du SME minimal, l'analyse des données LLR a permis de contraindre toutes violations à l'invariance locale de Lorentz. Une grande attention a été portée à l'analyse des incertitudes afin de fournir des contraintes réalistes. Ainsi, dans un premier temps, les combinaisons linéaires de coefficients SME ont été isolées puis ajustées aux observations. Puis, dans un second temps, les incertitudes réalistes ont été déterminées par une méthode de ré-échantillonnage. L'analyse des données de télémétrie laser Lune n'a pas permis de révéler de violations au principe d'invariance locale de Lorentz agissant au niveau de l'orbite lunaire. Les prédictions de la RG ont donc été validées avec des précisions absolues allant de 10-9 à 10-12.

  • Titre traduit

    Constaints on Lorentz symmetry violations using lunar laser ranging observations


  • Résumé

    General Relativity (GR) and the standard model of particle physics provide a comprehensive description of the four interactions of nature. A quantum gravity theory is expected to merge these two pillars of modern physics. From unification theories, such a combination would lead to a breaking of fundamental symmetry appearing in both GR and the standard model of particle physics as the Lorentz symmetry. Lorentz symmetry violations in all fields of physics can be parametrized by an effective field theory framework called the standard-model extension (SME). Local Lorentz Invariance violations in the gravitational sector should impact the orbital motion of bodies inside the solar system, such as the Moon. Thus, the accurate lunar laser ranging (LLR) data can be analyzed in order to study precisely the lunar motion to look for irregularities. For this purpose, ELPN (Ephéméride Lunaire Parisienne Numérique), a new lunar ephemeris has been integrated in the SME framework. This new numerical solution of the lunar motion provides time series dated in temps dynamique barycentrique (TDB). Among that series, we mention the barycentric position and velocity of the Earth-Moon vector, the lunar libration angles, the time scale difference between the terrestrial time and TDB and partial derivatives integrated from variational equations. ELPN predictions have been used to analyzed LLR observations. In the GR framework, the residuals standard deviations has turned out to be the same order of magnitude compare to those of INPOP13b and DE430 ephemerides. In the framework of the minimal SME, LLR data analysis provided constraints on local Lorentz invariance violations. Spetial attention was paid to analyze uncertainties to provide the most realistic constraints. Therefore, in a first place, linear combinations of SME coefficients have been derived and fitted to LLR observations. In a second time, realistic uncertainties have been determined with a resampling method. LLR data analysis did not reveal local Lorentz invariance violations arising on the lunar orbit. Therefore, GR predictions are recovered with absolute precisions of the order of 10-9 to 10-12.


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