MISSIONS SPATIALES EN PHYSIQUE FONDAMENTALE SPACE MISSIONS FOR FUNDAMENTAL PHYSICS MICROSCOPE, testing the equivalence principle in space

The test of the equivalence principle can be performed in space with orders of magnitude better resolution than in the laboratory, because of the outstanding steady and soft environment of the in-orbit experiment. The expected new experimental results will contribute to the unification of the four interactions, demonstrate the existence of extra scalar interaction or participate in the research for a quantum gravity theory. The MICROSCOPE space mission is being developed within the framework of the Cnes scientific program with the objective of testing the universality of free fall with a 10−15 accuracy. The concept and the design of the experiment are discussed and the major performance drivers of the room temperature instrument are pointed out. The launch of the drag-free satellite is scheduled for late 2004. By its specific technology demonstration, the mission will open the way to even more accurate acceleration measurements for other space missions in fundamental physics.  2001 Académie des sciences/Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS MICROSCOPE / equivalence principle / electrostatic accelerometer / drag-free satellite MICROSCOPE, test du principe d’équivalence dans l’espace Résumé. Réaliser le test du principe d’équivalence en orbite à bord d’un satellite dédié devrait permettre de gagner plusieurs ordres de grandeur sur la précision obtenue aujourd’hui dans les expériences de laboratoire. Une telle expérience spatiale contribuera aux efforts de grande unification des interactions, à la recherche d’une nouvelle interaction ou aux tentatives de théories de gravité quantique. La mission MICROSCOPE est en cours de développement au sein des programmes scientifiques du CNES, elle a pour objectif de tester l’universalité de la chute des corps avec une précision de 10−15. Le principe et la configuration de l’expérience sont discutés. La précision de l’instrumentation qui fonctionne à température ambiante est détaillée. Le lancement du satellite à traînée compensée est programmé pour la fin de l’année 2004. Par la démonstration des nouvelles techniques spatiales qu’elle requiert, cette mission devrait ouvrir la voie à des missions spatiales encore plus ambitieuses dans le domaine de la physique fondamentale  2001 Académie des sciences/Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS MICROSCOPE / principe d’équivalence / accéléromètre électrostatique / satellite à traînée compensée Note présentée par Pierre ENCRENAZ. S1296-2147(01)01264-1/FLA  2001 Académie des sciences/Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés 1271 P. Touboul et al. SPACE MISSIONS FOR FUNDAMENTAL PHYSICS Version française abrégée De nombreuses expériences de laboratoire ont été réalisées afin de tester le principe d’équivalence avec une précision toujours accrue. Ces expériences visent d’une part à consolider la théorie de la relativité générale, d’autre part à compléter notre connaissance expérimentale en vue de la recherche d’une nouvelle interaction prédite par les tentatives théoriques de grande unification. Des résultats récents ont été obtenus au moyen de pendules de torsion supportant des masses d’épreuve constituées de matériaux différents entraînées dans le champ gravitationnel solaire ou par la mesure précise, par télémétrie laser, du mouvement relatif de la Terre et de la Lune. De nombreuses expériences spatiales ont été proposées afin de dépasser les limitations expérimentales induites principalement par l’activité humaine, les vibrations sismiques et le gradient de gravité terrestre. La mission MICROSCOPE a été sélectionnée par le CNES avec pour objectif de tester le principe d’équivalence avec une précision améliorée de plus de deux ordres de grandeur pour atteindre 10−15. Les travaux en cours ont permis de préciser les principes expérimentaux, la configuration de l’instrument et de définir la configuration du micro-satellite dédié. L’expérience consiste à tester l’universalité de la chute des corps en orbite autour de la Terre. Deux masses de forme quasicylindrique et de matériaux différents, alliage de Platine ou de Titane, sont finement contrôlées au moyen de forces électrostatiques afin de suivre la même orbite avec une précision meilleure que 3 · 10−11 m. Les accélérations appliquées sont alors comparées avec une précision de 5 · 10−15 m·s−2, toute différence pointée vers la Terre est alors interprétée. En fait, le mouvement de deux masses de même matériaux est également comparé afin d’identifier les erreurs expérimentales. L’instrumentation bénéficie de nombreux développements concernant des accéléromètres électrostatiques spatiaux ultra-sensibles qui ont déjà permis la réalisation de missions spatiales pour la détermination précise du champ de gravité terrestre. Le satellite constitue un bouclier contre la traînée atmosphérique et les pressions de radiation terrestres ou solaires pour les masses d’épreuves qui ne doivent être soumises qu’au champ gravitationnel de la Terre. Pour cela, le satellite possède douze propulseurs électriques à effet hall qui sont activés continûment et dont la poussée est modulée en fonction des mesures d’accélérations appliquées aux masses. La stabilité thermique et structurale de l’instrumentation et du satellite sont optimisées ainsi que l’environnement magnétique et gravitationnel. Des efforts particuliers sont nécessaires pour éliminer les effets du gradient de gravité de la Terre ou du satellite. Le prototype de l’instrument est en cours de réalisation, le lancement du satellite étant programmé pour fin 2004. Par la démonstration de technologies spatiales innovantes, cette mission devrait ouvrir la voie à des missions futures en physique fondamentale encore plus ambitieuses et qui nécessitent comme MICROSCOPE la mesure de mouvements extrêmement faibles. 1. MICROSCOPE mission: context and objectives Nowadays, experiments in gravitation deal with the two basic objectives of fundamental physics, the assessment of the general theories, general relativity in the case discussed hereafter, and the definition of all interactions in the search for grand unification. The unification of the electromagnetic and weak interaction has been carried out and the unification of these two forces with the strong force needs to be fully experimentally assessed by the direct detection of the Higgs boson, leading thus to the confirmation of the mass generation scheme of the gauge theories. Many attempts of unification of these interactions with gravity have been performed, among them string theory appears to be the most exciting. Approaches to quantum gravity theory and to unification of all interactions lead, for most of them, to the introduction of an additional interaction depending on an additional scalar field, which couples differently to different kinds of elementary particles, and thus violates the equivalence principle. The test of the equivalence principle is then the basic experiment among many others proposed in the domain of fundamental physics. Space programs now include many feasibility studies of experiments.