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Physique des particules

Une collision pp avec émission de multiples jets enregistrée au LHC. Document CERN.

Les découvertes récentes

Nous allons décrire les découvertes récentes en physique des particules et des très hautes énergies, y compris en recherche appliquée. Dans la mesure du possible, d'autres découvertes ont déjà été intégrées dans d'autres articles. Dans celui-ci, attendez-vous à découvrir des phénomènes paradoxaux ou tout à fait étonnants et inattendus ! Ce domaine étant très vaste, nous nous limiterons à un résumé des découvertes les plus étranges, le lecteur pouvant approfondir sa lecture en suivant le lien référencé dans l'article.

Divergence sur la masse du boson W

Après 10 ans d'analyses et d'examens minutieux des données de l'accélérateur de particules Tevatron du Fermilab, les chercheurs de la collaboration CDF du FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory) géré par le DoE ont annoncé qu'ils avaient réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse (l'énergie de repos) du boson W, l'un des vecteurs de l'interaction faible. En utilisant les données recueillies par le CDF (Collider Detector at Fermilab), les chercheurs ont réussi à calculer la masse du boson W avec une précision de 0.01%, soit 1 chance sur 10000 que les données soient compatibles avec les prédictions du modèle Standard. Cette mesure est deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente faite avec le détecteur ATLAS du CERN. 

Le modèle Standard des particules impose des contraintes strictes sur la masse du boson W. Étonnamment, la masse mesurée par les différentes expériences est significativement plus élevée (avec un écart-type de 7σ) que ce que prédit le modèle Standard.

Sur base de l'analyse des données rassemblées par les 397 chercheurs de la collaboration CDF en 2012, les chercheurs ont publié une nouvelle mesure de sa masse dans un article publié dans la revue "Science" en 2022. Le résultat est basé sur l'observation de 4.2 millions de candidats bosons W, soit environ quatre fois plus que lors de l'expérience de 2012.

La masse du boson W (en MeV/c2) calculée au cours des différentes expériences s'écarte significativement de la valeur prédite par le modèle Standard. Document Coll. CDF (2022) adapté par l'auteur.

Selon les chercheurs, "En utilisant des données correspondant à 8.8 femtobarns inverses (fb-1) de luminosité intégrée collectés dans des collisions proton-antiproton à une énergie de centre de masse de 1.96 TeV avec le détecteur CDF II du collisionneur Tevatron du Fermilab Tevatron, un échantillon d'environ 4 millions de bosons W candidats fut utilisé pour obtenir MW = 80433.5 ±9.4 MeV/c2, dont la précision dépasse celle de toutes les mesures précédentes combinées. Cette mesure est en tension significative avec l'attente du modèle Standard". Cette masse représente environ 80 fois celle du proton (valant 938.21 MeV/c2).

Cette valeur est basée sur des calculs complexes du modèle Standard qui relient étroitement la masse du boson W aux mesures des masses du quark top découvert grâce au Tevatron du Fermilab en 1995 et celle du boson de Higgs découvert au LHC du CERN en 2012.

Par comparaison, la nouvelle mesure obtenue au CERN après la publication de l'article du CDF est de 80354 ±32 MeV/c2, très proche du modèle Standard qui est de 80357 ±6 MeV/c2, mais l'écart-type est supérieur à la mesure du CDF, ce qui l'entache d'une sérieuse incertitude.

Selon Giorgio Chiarelli de l'Institut National Italien de Physique Nucléaire (INFN-Pise) et coporte-parole du CDF, "De nombreuses expériences de collisionneurs ont produit des mesures de la masse du boson W au cours des 40 dernières années. Ce sont des mesures difficiles et compliquées, et elles ont atteint une précision toujours plus grande. Il nous a fallu de nombreuses années pour passer en revue tous les détails et les vérifications nécessaires. C'est notre mesure la plus robuste à ce jour, et l'écart entre les valeurs mesurées et attendues persiste".

Selon Ashutosh V. Kotwal de l'Université de Duke qui dirigea cette analyse, "le nombre de candidats pris en considération et les améliorations des vérifications supplémentaires du résultat sont énormes". 

La nouvelle valeur est en accord avec de nombreuses mesures précédentes de la masse du boson W, mais il y a aussi quelques divergences.

Selon Joe Lykkne du Fermilab, "Bien qu'il s'agisse d'un résultat intrigant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être pleinement interprétée". Si elle est confirmée, cette mesure suggère qu'il faut encore améliorer les calculs du modèle Standard ou envisager son extension. En effet, les physiciens interprètent ces différences entre les valeurs expérimentales et la valeur attendue à l'existence éventuelle d'une nouvelle particule ou d'une nouvelle interaction fondamentale.

Conclusion, avant d'évoquer une nouvelle particule ou une physique exotique, des nouvelles mesures seront nécessaires pour élucider ce mystère.

L'universalité des leptons invalidée par le LHCb

Le modèle Standard des particules prédit que les différents leptons chargés, l'électron, le muon et le tauon (ou méson tau), présentent des forces d'interaction électrofaible identiques. Autrement dit, ils interagissent tous de la même manière avec les autres particules. Par conséquent, les différents types de leptons devraient, sous réserve de leurs différences de masse (cf. ce tableau), être créés avec la même fréquence lors des transformations ou des désintégrations de particules. Et de fait, jusqu'ici les mesures avaient montré qu'un très large éventail de désintégrations de particules est compatible avec ce qu'on appelle le "principe d'universalité de la saveur des leptons" ou l'universalité des leptons pour faire court.

Toutefois, en 2014 au cours d'une nouvelle expérience de collision proton-proton réalisée par la collaboration LHCb du CERN et reprise ensuite par d'autres équipes de physiciens à travers le monde, les chercheurs ont constaté que les quarks b (bottom ou beauty) se désintégraient de manière inattendue, mettant en évidence une possible différence de comportement entre les différents types de leptons.

Les mesures portent sur des processus au cours desquels interagissent des baryons b ou des mésons b (des particules composites contenant au moins un quark b ou selon le cas) dans lesquels le quark b () se transforme en un quark s () avec l'émission de leptons, soit d'un électron et d'un positon, soit d'un muon et d'un antimuon. Voici deux réactions de décroissance d'un méson B+ (u) et d'un baryon Λ0b (bdu) en kaon chargé K+ (u) ou K- (s) et en pion π chargé (d ou u) :

B+  →  K+  +  μ+μ-  et  B+  →  K+  +  e+e-

Λ0b  →  Λc+  + K+  +  π+  et  Λ0b  →  Λc+  +  K- + π-

En filtrant les données de collisions pp à des énergies de 7, 8 et 13 TeV, la collaboration LHCb a identifié des baryons b appelés Λb (ou Λ0b) et ont calculé la probabilité avec laquelle ils se désintégraient en kaon chargé et leptons, soit une paire de muon-antimuon soit en une paire d'électron-antiélectron (comme on le voit ci-dessus, Λ0b décroît également en charmonium Λc+ ou J/ψ composé des quarks c).

L'équipe a ensuite calculé le rapport entre ces deux taux de désintégration. Si l'universalité des leptons résiste au test, ce rapport devrait être proche de 1. Une déviation par rapport à cette prédiction pourrait par conséquent signaler une violation du principe de l'universalité des leptons.

A consulter : Large Hadron Collider beauty experiment, CERN

Le détecteur LHCb du CERN. Il permet d'étudier les propriétés des particules et des anti-particules ainsi que les désintégrations rares des mésons b et c. L'image de droite fut prise en septembre 2016 lors d'un arrêt technique. Documents CERN/IN2P3 et CERN.

Les chercheurs ont obtenu un rapport légèrement inférieur à 1, avec écart-type d'environ 1σ, bien en dessous de la norme de 5σ (soit 1 chance sur 3.5 millions qu'il s'agisse de l'effet du hasard) nécessaire pour annoncer une réelle différence entre les taux de désintégration. Les chercheurs notent cependant que ce résultat va de nouveau dans le même sens que les résultats antérieurs qui ont montré des indices selon lesquels les désintégrations en une paire de muon-antimuon sont moins fréquentes que celles en une paire d'électron-antiélectron.

Ce résultat est étrange car le muon est essentiellement une "copie" de l'électron, identique en tous points sauf qu'il est environ 200 fois plus lourd. On s'attendrait à ce que les quarks b se désintègrent en muons aussi souvent qu'ils le font en électrons.

Prises séparément, ces mesures n'avaient pas une signification statistique suffisante pour indiquer une violation de l'universalité des leptons, et donc une faille dans le modèle Standard, mais il était intriguant que des signes d'une différence se répètent dans diverses désintégrations de particules et au cours de plusieurs expériences.

En 2019, la collaboration LHCb a de nouveau effectué la même expérience de désintégration des quarks b, mais cette fois avec des données supplémentaires enregistrées en 2015 et 2016. Les résultats indiquent également une différence dans le taux de désintégration des quarks b, cette fois avec un écart-type de 3.1σ, soit 1 chance sur 10000 (une probabilité d'environ 0.1%) que les données soient l'effet du hasard. C'est toujours insuffisant pour annoncer une découverte, mais on s'approche d'une valeur significative (cf. Collaboration LHCb, 2022, en PDF sur arXiv).

Sans l'annoncer officiellement mais en publiant malgré tous plusieurs articles académiques sur le sujet, le CERN confirme qu'il y a donc une rupture de l'universalité des leptons dans les désintégrations des quarks bottom. Reste à comprendre pourquoi ou plus exactement à cause de quoi ?

La seule façon d'expliquer ces désintégrations à des taux différents serait la présence durant les interactions d'une nouvelle particule non détectée et non prédite par le modèle Standard qui serait favorable aux électrons au détriment des muons. On évoque par exemple un hypothétique boson Z' ou un leptoquark (qui a la capacité unique de se désintégrer simultanément en quarks et en leptons). Cela pourrait aussi signifier qu'il existerait une cinquième interaction fondamentale (cf. l'expérience Muon g-2).

Selon les chercheurs, "Si le résultat est confirmé par de futures mesures, cette violation de l'universalité des leptons impliquerait une physique au-delà du modèle Standard, telle qu'une nouvelle interaction fondamentale entre les quarks et les leptons".

Mais il faut se méfier des interprétations et des conclusions hâtives. Nous verrons à propos de l'éventuelle cinquième interactions fondamentale, que ces résultats ne sont pas encore la preuve d'une nouvelle physique et ne signent pas encore la fin du modèle Standard.

Le boson de Higgs aurait empêché notre univers de s'effondrer

L'une des caractéristiques du boson de Higgs, H°, cette étrange particule découverte en 2012 dont le champ donna leur masse aux autres particules, est sa masse au repos étonnamment faible de 125 GeV par rapport aux prédictions (qui l'estimaient inférieure à ~710 GeV voire dépassant 1 TeV bien que plus improbable, voir le lien ci-dessus).

Dans un article publié dans les "Physical Review Letters" en 2022, Raffaele Tito D'Agnolo et Daniele Teresi du CERN, proposent une nouvelle théorie expliquant à la fois la faible masse du boson de Higgs et une autre énigme de la physique fondamentale.

En deux mots, les chercheurs proposent qu'en raison de sa faible masse, le boson de Higgs aurait pu empêcher notre univers de s'effondrer. Et ses propriétés pourraient être un indice que nous vivons dans un multivers composé de bulles d'univers (cf. les univers parallèles).

La théorie proposée par D'Agnolo et Teresi part de l'hypothèse qu'à l'origine l'Univers avec un grand U est un multivers né à partir d'une instabilité quantique et d'un phénomène d'inflation cosmique et se compose d'un ensemble de nombreuses régions distinctes ou univers.

Exemples de potentiels scalaires V(ɸ±) qui sélectionnent l'échelle faible (ɸ représente les champs scalaires - les bosons de Higgs - et V(ɸ) est l'énergie potentielle). A gauche, sih ν (en rouge) le minimum local de V(ɸ-) est déstabilisé. Le champ descend vers son minimum global profond (hors graphique) et l'Univers s'effondre rapidement. Inversement, à droite, le minimum local de V(ɸ+) n'est généré que sih ν et l'angle θ de la CDQ θmax (en vert). Document R.D’Agnolo et D.Teresi (2022).

Dans chacun de ces univers les lois de la physique peuvent être différentes. Le boson de Higgs par exemple avait une masse différente, et, dans certains univers, il était léger. Tous les univers contenant des bosons de Higgs lourds se sont effondrés en très peu de temps dans un "Big Crunch", alors que ceux contenant des bosons de Higgs légers ont survécu à cet effondrement avec des taux d'expansion stables, conduisant au développement de structures organisées. Notre univers ferait donc partie des univers ayant survécu car il contient des bosons de Higgs légers. Ce sont les interactions de ces deux nouvelles particules qui fixent la masse du boson de Higgs dans ces différentes régions du multivers.

Ce modèle comprend donc deux nouvelles particules, le Higgs léger et le Higgs lourd, qui viennent s'ajouter au modèle Standard.

Cette théorie permet également d'expliquer pourquoi il existe une symétrie dans l'interaction forte, la force qui lie les quarks dans les protons et neutrons qui forment les noyaux atomiques.

L'interaction forte ne se comporte pas exactement comme le modèle Standard le prédit. Dans les théories qui décrivent les interactions à haute énergie, il existe certaines symétries. Par exemple, la symétrie de charge (changer les particules par leurs antiparticules dans une interaction et tout fonctionne de la même manière), la symétrie de parité (prenez l'image miroir d'une interaction et c'est pareil) et la symétrie du temps (inverser la flèche du temps et c'est encore pareil).

La théorie de l'interaction forte appelée chromodynamique quantique ou CDQ par référence à la couleur des quarks, prédit qu'une brisure de symétrie fondamentale, dite symétrie CP, est possible, mais jusqu'à présent les expériences n'ont pas permis de l'observer.

L'une des nouvelles particules du modèle de D'Agnolo et de Teresi pourrait permettre de résoudre ce problème, en rétablissant la symétrie CP dans l'interaction forte.

De plus, cette même nouvelle particule pourrait être la clé de la matière sombre qui semble constituer 27% de la matière pesante différente des baryons de l'univers visible. En effet, les nouvelles hypothétiques particules de Higgs n'ont pas de rôle limité à l'univers primitif. Elles pourraient encore exister dans l'univers actuel. Si la masse du Higgs léger est suffisamment petite, il aurait pu échapper à la détection dans les accélérateurs de particules, et ces bosons flotterairent donc incognito dans l'espace, influençant discrètement l'évolution des galaxies et de l'univers.

Mais actuellement, ce ne sont que des hypothèses et même très audacieuses puisqu'elles s'écartent du modèle Standard.

L'explication serait-elle vraiment aussi simple ? Aussi élégante soit-elle, une théorie doit être testée pour être soit confirmée et validée si possible dans les cas les plus généraux, soit écartée. Le modèle prédit une certaine plage de masse pour la matière sombre, des valeurs que les expériences recherchant la matière sombre (cf. les WIMP) pourraient déterminer.

A gauche, décroissance du boson de Higgs en deux quarks b enregistrée par l'expérience ATLAS du CERN en 2017. Elle s'accompagne de l'émission de deux jets qui ont déposé leur énergie dans les calorimètres (en jaune) respectivement électromagnétique (sensible aux électrons et photons) et hadronique (sensible aux hadrons, les baryons et mésons faits de quarks). A droite, décroissance d'un boson de Higgs en particules invisibles enregistrée par l'expérience ATLAS du CERN en 2015. Si ATLAS enregistra deux jets de particules (cônes jaunes), on constate également une grande énergie manquante (ligne pointillée).

Selon Teresi, "Chaque modèle a ses avantages et ses limites. Notre modèle se distingue par sa simplicité, et par le fait qu’il est générique et qu’il résout simultanément ces deux énigmes apparemment sans lien. De plus, il prédit des caractéristiques bien particulières dans les données issues des expériences menées en vue de rechercher la matière sombree ou un moment dipolaire électrique dans le neutron et dans d’autres hadrons".

D'autres théories ont été proposées pour expliquer la masse du boson de Higgs, par exemple le modèle de champ de relaxation (2015), le modèle du "Higgs égoïste" (2019) ou encore une théorie reposant sur un nouveau phénomène de cosmologie quantique (2021). Il existe également des théories plus anciennes qui reposent soit sur l'hypothèse que le boson de Higgs est une particule composite, soit sur la supersymétrie et son lot de superparticules. Espérons que l'avenir nous dira quel modèle se rapproche de la réalité.

Les particules subissent l'influence de la gravité à distance

En physique quantique, les particules peuvent ressentir l'influence des champs magnétiques même ceux avec lesquels elles n'entrent jamais en contact direct. A présent, des physiciens ont découvert que cet étrange effet quantique vaut également pour la gravité.

Une déformation spatio-temporelle représentée dans un espace-temps statique. Document adapté de iStock.

Nous savons depuis bientôt un siècle que les deux théories cadres de la physique, la mécanique quantique et la relativité générale ne fonctionnent pas bien ensemble du fait qu'elles s'opposent sur le principe de localité (en relativité, deux objets distants ne peuvent pas avoir une influence directe l'un sur l'autre, alors que c'est visiblement le cas en physique quantique comme nous allons l'expliquer). A ce jour, les physiciens ne savent pas très comment combiner les deux théories pour décrire la réalité (cf. les théories unitaires). Le fait de pouvoir explorer la gravité avec un sonde quantique est donc une expérience très intéressante et l'un des défis les plus importants de la physique mdoerne. Explications.

Habituellement, pour subir l'effet d'un champ magnétique, une particule doit le traverser. Un électron par exemple doit traverser un champ magnétique pour produire un champ électrique (cf. la dynamo).

Mais en 1959, les physiciens Yakir Aharonov et David Bohm ont prédit que dans des conditions spécifiques, un champ magnétique contenu dans une région cylindrique peut affecter des particules - en l'occurrence des électrons - alors qu'ils ne sont jamais entrés dans le cylindre. Il s'agit de l'effet Aharonov-Bohm qui une fois de plus met notre logique à l'épreuve.

Dans cette expérience, les électrons n'ont pas d'emplacements définis mais sont dans des superpositions d'états quantiques décrits par la probabilité qu'une particule se matérialise en deux endroits différents. Chaque particule en superposition d'état emprunte simultanément deux chemins différents autour du cylindre magnétique. Bien qu'elle ne touche jamais les électrons et n'exerce donc aucune force sur eux, le champ magnétique modifie le schéma de localisation des particules à la fin de leur parcours, comme l'ont confirmées plusieurs expériences.

Dans un article publié dans la revue "Science" en 2022, le physicien Mark Kasevich de l'Université de Stanford et ses collègues ont tenté une nouvelle expérience sur les champs gravitationnels et mirent en évidence la même physique étrange.

Kasevich et ses collègues ont lancé des atomes de rubidium à l'intérieur d'une chambre à vide de 10 mètres de haut et des lasers les ont ensuite percutés pour les placer dans des superpositions d'états sur deux trajectoires différentes et ont observé comment ils arrivaient à destination. L'expérience a été conçue de façon à ce que les chercheurs puissent filtrer les effets des forces gravitationnelles pour mettre en évidence l'effet Aharonov-Bohm. Les particules se déplaçaient librement, dans une zone hors de l'influence des champs gravitationnels.

Le phénomène d'interférence (cf. l'expérience de la double fente de Young) est au coeur de cette expérience. En physique quantique, toutes les particules se comportent comme des ondes qui peuvent s'additionner et se soustraire, tout comme deux vagues en phase fusionnant dans l'océan forment une onde plus grande.

A la fin du parcours des atomes, les physiciens ont recombiné les deux trajectoires des atomes pour que leurs ondes interfèrent, puis ont mesuré les atomes à leur destination. A cette échelle, les emplacements d'arrivée sont très sensibles au déphasage des ondes, le moindre écart modifiant l'endroit où les pics d'amplitudes maximales et minimales arrivent, à l'image d'un effet de moiré qui varie selon la position de l'objet.

Au sommet de la chambre à vide, les chercheurs ont placé un morceau de tungstène d'une masse de 1.25 kg. Pour isoler l'effet Aharonov-Bohm, les scientifiques ont réalisé la même expérience avec et sans cette masse, et pour deux ensembles différents d'atomes, l'un circulant près de la masse, l'autre plus loin et plus bas. Chacun de ces deux ensembles d'atomes a été divisé en superpositions d'états, l'un suivant une trajectoire le menant plus près de la masse que l'autre, environ 25 cm séparant les deux ensembles. D'autres ensembles d'atomes en superpositions d'états réparties sur de plus petites distances complétaient l'expérience.

La comparaison de l'interférence des différents ensembles d'atomes, avec et sans la masse de tungstène, révéla un déphasage qui n'était pas dû à la force gravitationnelle. Ce phénomène provenait de la "dilatation du temps" (ou "ralentissement du temps"), une caractéristique de la théorie de la relativité générale d'Einstein qui montre que le temps s'écoule plus lentement à proximité d'un objet massif.

Comme le dit Kasevich, "Chaque fois que je regarde cette expérience, je me dis : C'est incroyable que la nature soit ainsi".

L'expérience a révélé non seulement l'effet Aharonov-Bohm dans un nouveau contexte, mais présente également le potentiel d'étudier des effets subtils dans les systèmes gravitationnels. Les chercheurs envisagent notamment d'utiliser ce type de technique pour mieux mesurer la constante de la gravitation de Newton, G, qui révèle l'intensité de l'interaction gravitationnelle qui, actuellement est connue avec moins de précision que d'autres constantes fondamentales de la nature (cf. J.Luo et al., 2018).

Une liaison unique maintient une particule hybride

Une équipe de physiciens du MIT a découvert une particule hybride dont les éléments sont maintenus par une liaison unique en son genre. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature Communications" en 2022 par Nuh Gedik et ses collègues.

La particule hybride, qui est un mélange d'un électron et d'un phonon (une quasi-particule formée par des atomes vibrants dans un matériau), a été détectée dans un matériau magnétique bidimensionnel appellé un matériau de van der Waals (vdW). Dans ce type de matériau, il existe un couplage fort entre différents degrés de liberté qui peut hybrider les excitations élémentaires en états liés. Pouvoir identifier correctement la nature et la composition de ces états liés est essentielle pour comprendre les propriétés de l'état fondamental et leurs spectres d'excitation.

Dans cette expérience, Gedik et ses collègues ont utilisé la spectroscopie ultra-rapide pour révéler les états liés des orbitales d et les phonons (une quasi-particule formée par des atomes vibrants dans un matériau), dans du trisulfure de phosphore de nickel (NiPS3) antiferromagnétique, un matériau vdW 2D présentant des caractéristiques magnétiques particulières découvertes quelques années auparavant par des physiciens coréens (cf. J-G. Park et al., 2018).

La microstructure antiferromagnétique ressemble à un réseau d'atomes en nid d'abeilles dont les spins sont opposés à celui de leur voisin. En revanche, dans un matériau ferromagnétique tous les atomes ont les spins alignés dans la même direction.

La photographie de particules atomiques est très difficile et requiert des caméras ultra-rapides (elles n'ont rien à voir avec les caméras à haute vitesse commerciales comme les Photron dont la vitesse d'obturation varie entre 1000 et 120000 fps et 2 millions de fps en basse résolution). Mais même les caméras ultra-rapides donnent encore des images floues car la vitesse de l'obturateur reste insuffisante.

Schéma de l'expérience sur un matériau vdW 2D. A gauche, la configuration de la spectroscopie d'absorption transitoire à large bande. Une impulsion de 25 femtosecondes d'une énergie de 1.88 eV excite le système refroidi à 150 K. Elle est suivie par une impulsion de sonde de lumière blanche d'une énergie variant entre 1.4 et 2.0 eV qui mesure la réflectivité transitoire dans une large région spectrale avec une résolution spectrale de 1.5 meV. A droite, la structure cristalline du NiPS3. Les flèches indiquent les déplacements phononiques pour le mode A1g à 7.5 THz. Documents N.Gedik et al. (2022) adaptés par l'auteur.

Pour contourner ce problème, les chercheurs ont utilisé un laser femtoseconde qui émet des impulsions lumineuses d'une durée de seulement 25 femtosecondes (1 fm = 1 millionième de milliardième de seconde). Ils ont divisé l'impulsion laser en deux impulsions distinctes et les ont dirigées vers un échantillon de NiPS3. Les deux impulsions ont été réglées avec un léger retard l'une par rapport à l'autre. La première d'une énergie de 1.88 eV a stimulé ou "coupé" l'échantillon, tandis que la seconde d'une énergie variant entre 1.4 et 2.0 eV a capturé la lumière trransitoire réfléchie par l'échantillon dans une plus vaste région spectrale. La résolution temporelle était de 25 femtosecondes et la résolution spectrale de 1.5 meV. De cette manière, les chercheurs ont pu créer des "films " ultra-rapides à partir desquels les interactions de différentes particules au sein du matériau ont pu être déduites.

En particulier, ils ont mesuré la quantité précise de lumière réfléchie par l'échantillon en fonction du temps entre les deux impulsions. Cette réflexion devait changer d'une certaine manière si des particules hybrides étaient présentes. Cela s'avéra être le cas lorsque l'échantillon fut refroidi en dessous de 150 K ou -123°C, lorsque le matériau est devenu antiferromagnétique.

L'aspect le plus intrigant de la découverte est que lorsque les physiciens ont mesuré la force entre l'électron et le phonon, ils ont constaté que la liaison qui les maintient était 10 fois plus forte que ce qui avait été précédemment estimé pour d'autres électron-phonon connus.

Selon les chercheurs, la forte liaison qui assurait leur cohésion suggère que l'électron et le phonon "pourraient être accordés en tandem". Cela implique que tout changement dans l'électron a un impact sur le phonon, et vice versa. Par exemple, l'application d'une tension ou d'une lumière sur la particule hybride stimulerait l'électron comme il le ferait généralement, mais modifierait aussi le phonon, ce qui influence les propriétés structurelles ou magnétiques du matériau. Un tel double contrôle pourrait permettre aux chercheurs de modifier non seulement les propriétés électriques d'un matériau, mais également son magnétisme en lui appliquant une tension ou de la lumière.

Selon Gedik, "Imaginez si nous pouvions stimuler un électron et faire réagir le magnétisme. Alors vous pourriez créer des appareils très différents de la façon dont ils fonctionnent aujourd'hui".

Selon les chercheurs, les possibilités sont vraiment illimitées, car si ces qualités pouvaient être gérées, peut-être grâce à ce type de particule hybride, le matériau pourrait un jour être utilisé comme une nouvelle forme de semi-conducteur magnétique. Cela permettrait de concevoir des appareils électroniques plus petits, plus rapides et plus économes en énergie, annonçant potentiellement une nouvelle ère pour l'électronique.

Le méson D°, une particule qui oscille entre matière et antimatière

En analysant les données du LHCb du CERN, des physiciens de l'Université d'Oxford ont découvert une nouvelle particule oscillant entre la matière et l'antimatière pour une question de masse. Cette infime différence entre les deux particules rappelle que la dominance de la matière sur l'antimatière peu après le Big Bang repose sur un phénomène similaire.

L'antimatière est étonnamment similaire à la matière, la seule différence étant que l'antimatière présente une charge opposée. Cela signifie que lorsqu'une particule de matière entre en contact avec une particule d'antimatière, elles s'annihilent dans une profusion d'énergie.

Mais il existe des exceptions. Le photon par exemple est sa propre antiparticule. Une autre bizarrerie quantique est la superposition d'états ou intrication quantique (cf. l'expérience de pensée du chat de Schrödinger). Cette expérience prouve que des particules peuvent osciller entre matière et antimatière.

A présent, une nouvelle particule du modèle Standard a rejoint ce club exclusif, le méson charmé D° (ou D0) Les trois autres pouvant osciller entre matière et antimatière sont le méson K° et les deux types de mésons B.

Le méson D° est normalement constitué d'un quark charmé et d'un antiquark up (c), tandis que son équivalent antimatière se compose d'un antiquark charmé et d'un quark up (u). Normalement, ces états sont séparés, mais cette découverte montre que les mésons charmés peuvent spontanément basculer entre les deux états.

Voici la réaction entre un photon γ et un proton (p) contenant les quarks (uud) produisant les mésons D+ et ° et un neutron (n) :

γ  +   p

γ  + uud

   →   D+ + ° + n

   →   c + u + ddu

Le secret de cette oscillation entre les deux états du D° réside dans une infime différence de masse. Par défaut, le méson D° présente une masse de repos de 1864.6 MeV/c2. Au cours de l'expérience les chercheurs ont découvert que le méson D° peut exister dans une superposition d'états D1 et D2, l'un étant légèrement plus lourd, l'autre légèrement plus léger. La différence n'est que de 1x10-38 g. Cette superposition d'états permet au méson D° d'être à la fois matière et antimatière (son antiparticule) simultanément.

Pour observer ce phénomène, les mésons charmés sont produits au LHC lors de collisions proton-proton et normalement ils ne parcourent que quelques millimètres avant de se désintégrer en d'autres particules. 

Rappelons que le méson D° décroit selon plus d'une douzaine de modes parmi lesquels :

- D° →  s + π+π. Le s est un kaon "short" (dont la durée de vie est la plus brève des K°), résultat de la superposition d'états (d-s)√2

- D° →  K + e+ avec émission d'un boson W+ virtuel. K = ( s υe).

En comparant les mésons charmés ayant tendance à parcourir une plus grande distance par rapport à ceux qui se désintègrent plus tôt, les chercheurs ont identifié que la différence de masse était le principal facteur déterminant si un méson charmé se transforme ou non en un méson anticharme.

Selon Guy Wilkinson, physicien à l'Université d'Oxford et membre de la Collaboration LHCb, "Ce qui rend cette découverte de l'oscillation du méson charmé si impressionnante, c'est que, contrairement aux mésons beauty, l'oscillation est très lente et donc il est extrêmement difficile de mesurer la désintégration du méson. Les résultats montrent que les oscillations sont si lentes que la grande majorité des particules se désintégrent avant d'avoir eu l'occasion d'osciller. Cependant, nous sommes en mesure de confirmer qu'il s'agit d'une découverte car LHCb a collecté énormément de données". En effet, au cours de l'expérience LHCb qui se déroula entre 2016 et 2018, les physiciens ont analysé 30.6 millions de décroissances du D° en kaon short et pions.

La découverte de cette oscillation apparemment insignifiante pourrait en revanche avoir des implications très importantes pour l'Univers. En effet, selon le modèle Standard de la physique des particules, le Big Bang aurait dû produire de la matière et de l'antimatière en quantités égales, et au fil du temps, tout cela aurait fini par entrer en collision et s'annihiler, laissant un cosmos vide de particules. Or de toute évidence, cela ne s'est pas produit. D'une manière ou d'une autre, la matière a fini par dominer.

Mais quel phénomène a pu provoquer ce déséquilibre ? Actuellement, c'est un mystère. Une hypothèse soulevée par cette découverte serait que des particules comme le méson charmé oscillent de l'antimatière à la matière plus souvent qu'ils n'oscillent de la matière à l'antimatière. Démontrer que cela se produit et pourquoi, est l'un des défis que les physiciens vont tenter de relever. S'ils réussissent, ils résolveront peut-être l'un des plus grands mystères de la science.

Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans les "Physical Review Letters" en 2021 (en PDF sur arXiv) par la Collaboration LHCb qui rassemble plus de 950 chercheurs.

Les anyons, des quasi-particules à deux dimensions

Le modèle Standard de la physique des particules prédit l'existence de deux types de particules élémentaires : les fermions et les bosons. Les fermions constituent la matière. Ils comprennent les électrons, les protons, les neutrons et les quarks. Deux fermions ne peuvent pas exister dans le même état quantique en même temps. Si ces particules n'avaient pas cette propriété, toute la matière pourrait s'entremêler et s'effondrer en un seul point. C'est à cause des fermions que la matière solide existe.

Les bosons sont des vecteurs d'interactions. Ils comprennent des particules comme les photons (la lumière) et les gluons qui agissent entre les quarks. Contrairement aux fermions, deux ou plusieurs bosons peuvent exister dans le même état quantique en même temps; ils peuvent donc se regrouper, se superposer et créer des figures d'interférences. C'est en raison de cette propriété que l'on peut élaborer des lasers, qui sont des flux de photons occupant tous le même état quantique.

Mais le modèle Standard décrit la physique en trois dimensions spatiales et des particules présentant leurs niveaux d'énergie les plus élevés. Cela laisse une certaine marge pour l'existence d'autres types de quasi-particules qui n'existent qu'en deux dimensions.

L'une de ces quasi-particules est l'anyon. Prédits par les physiciens théoriciens depuis la fin des années 1970, ils furent officiellement décrits pour la première fois en 1982 par le physicien Frank Wilczek du MIT. L'anyon n'est ni un fermion ni un boson. En théorie, sa charge peut être inférieure à celle d'un électron, ce qui en fait la plus petite quasi-particule chargée.

Etats des anyons

En physique ou thermodynamique statistique, dans un espace 3D l'état de deux particules se définit par les relations :

1ψ2= - |ψ1ψ2pour les fermions (statistique de Fermi-Dirac) et

1ψ2= +|ψ1ψ2pour les bosons (statistique de Bose-Einstein).

Or dans un espace 2D, l'état de deux quasi-particules |ψ1ψ2= e1ψ2

avec "i" l'unité imaginaire des nombres complexes et θ un nombre réel qui représente le déphasage après permutation.

Nous avons ei0 = 1 et e = -1 qu'on retrouve respectivement dans les statistiques de Bose-Einstein et de Fermi-Dirac. Pour toute autre valeur (any en anglais) de la phase θ nous sommes en présence d'un anyon.

Wilczek commença à y penser quand il était à l'université, lorsqu'il fut frustré d'apprendre que les expériences n'établissaient l'existence que de deux types de particules. Il envisagea autre chose, et lorsqu'on lui posa la question des autres propriétés ou de l'endroit où trouver ces étranges intermédiaires, il dit en plaisantant à moitié, "anything goes", c'est-à-dire "tout est permis" - ce qui donna naissance au nom "anyon".

Les anyons sont confinés dans des espaces à deux dimensions et dans certaines conditions comme des températures proches du zéro absolu et en présence d'un puissant champ magnétique. De ce fait ils présentent plus de libertés que les fermions et les bosons comme l'explique l'encart ci-dessus.

Les anyons sont généralement classés comme abéliens (commutatifs) ou non abéliens. Les anyons abéliens (voir plus bas) interviennent dans l'effet Hall quantique fractionnaire (FQHE, cf. H.L. Stormer, 1999). Les anyons non abéliens n'ont pas été détectés avec certitude, mais comme on dit, les physiciens y travaillent.

Les anyons se comportent différemment des fermions ou des bosons. Les fermions s'évitent ou entrent en collision tandis que les bosons peuvent s'enchevêtrer et se superposer. En revanche, les anyons peuvent en théorie interagir quelque part entre l'attraction et la répulsion. Ainsi, les lignes d'univers (les "trajectoires" ou "les histoires des évènements") de deux anyons ne peuvent pas se croiser ni fusionner. En revanche, elles peuvent s'entremêler et former des tresses appelées "braids" en trois dimensions (1 dimension temporale et 2 dimensions spatiales) et comporter des nœuds.

 En 1997, le physicien et mathématicien russe Alexei Kitaev de Microsoft Research et aujourd'hui au Caltech a suggéré que ces tresses permettraient de fabriquer les portes logiques d'un ordinateur quantique topologique. En effet, cette propriété en fait des objets attrayants pour les ordinateurs quantiques, qui dépendent d'états quantiques notoirement fragiles et sujets aux erreurs. Les anyons représentent un moyen plus robuste de stocker les données.

L'expérience sur les anyons réalisée par des chercheurs du CNRS. Document M. Kumar (2020).

En théorie, les anyons peuvent être observés sous forme de perturbations dans des couches bidimensionnelles de matériaux. Les anyons ne réagissent pas comme les particules ordinaires; les scientifiques ne pourront jamais les isoler du système dans lequel ils se forment. Ce sont des quasi-particules, ce qui signifie qu'elles ont des propriétés mesurables comme celles d'une particule - comme sa position ou sa masse - mais elles ne sont pas observables en raison du comportement collectif d'autres particules conventionnelles (imaginez des formes géométriques complexes créées par le comportement de groupe d'animaux telles que des essaims d'oiseaux volant en formation ou des bancs de poissons nageant comme une seule entité).

Après des décennies d'exploration de l'infiniment petit, les physiciens ont enfin trouvé la preuve que les anyons existent. En 2020, deux découvertes confirmèrent l'existence de ces quasi-particules. En avril 2020, un groupe de chercheurs français utilisa une méthode proposée quatre ans plus tôt pour envoyer un gaz d'électrons à travers un minuscule collisionneur de particules pour déceler des comportements étranges, en particulier des charges électriques fractionnaires. (cf. H. Bartolomei et al., 2020).

Hugo Bartolomei du Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure et ses collègues ont créé un minuscule collisionneur d'anyons 2-D, si petit qu'ils ont dû utiliser un microscope électronique pour observer les actions qui s'y déroulaient.

Comme illustré à gauche, le collisionneur consiste en une surface 2D placée entre un autre matériau. Le collisionneur contient un liquide à effet Hall quantique qui est maintenu à l'intérieur d'un puissant champ magnétique. Les charges électriques sont dirigées le long des tunnels vers despoints de contacts quantiques. Les flux d'anyons sont dirigés de manière à les obliger à entrer en collision au milieu du collisionneur, puis à sortir le long de l'un des deux chemins désignés.

Dans un tel dispositif, les fermions quitteraient le collisionneur par des chemins séparés, tandis que les bosons partiraient en groupe. Les chercheurs ont observé des preuves d'agglutination mineure - moins que ce qui serait observé avec les bosons, mais cohérent avec ce que la théorie prédit à propos des quasi-particules.

La deuxième confirmation fut annoncée en juillet 2020, lorsque des chercheurs de l'Université Purdue dans l'Indiana ont utilisé une configuration expérimentale placée sur une puce gravée qui éliminait les interactions extérieures susceptibles de brouiller le comportement des quasi-particules. Les chercheurs ont apporté la preuve de l'existence d'anyons abéliens (cf. J.Nakamura et al., 2020 et en PDF sur arXiv).

Selon Wilczek, le premier article décrit la découverte, mais le second laisse briller les quasi-particules et annonce un avenir prometteur.

Ce qui rend les anyons particulièrement intéressants pour les physiciens, c'est qu'ils présentent quelque chose d'analogue à la mémoire des particules. Si un fermion orbite autour d'un autre fermion, son état quantique reste inchangé. Idem pour un boson.

Mais les anyons sont différents. Si l'un se déplace autour d'un autre, leur état quantique collectif change. Cela peut prendre trois, cinq ou même plus de révolutions avant que les anyons reviennent à leur état d'origine. Ce léger déphasage de l'onde forme une tresse qui représente le souvenir du "voyage" de l'anyon.

A voir : Direct observation of anyonic braiding statistic

Wilczek souligne que les anyons représentent un "royaume" entier contenant de nombreuses variétés aux comportements exotiques qui pourront être explorées et exploitées à l'avenir. Il considère les anyons comme un outil pour découvrir des états exotiques de la matière qui, pour l'instant, restent des concepts déconnectés de l'expérience dans les théories des physiciens.

La découverte des anyons confirme non seulement des décennies de travaux théoriques, mais d'un point de vue pratique, ils vont enfin permettre à Microsoft de construire un ordinateur quantique topologique fonctionnel.

Le fermion de Weyl pourrait révolutionner l'électronique

Dans le modèle Standard de la physique des particules, les physiciens ont divisé le monde en deux catégories : les fermions de spin demi-entier comme l'électron ou le proton et leur antiparticule, et les bosons qui transportent les interactions (forces), de spin entier comme les photons, les gluons ou les gravitons. Les fermions élémentaires sont les leptons (électron, muon, tauon et les trois neutrinos) et les six quarks porteurs de saveurs (cf. la famille des particules élémentaires).

Quand la physique quantique devient art. Représentation de l'énergie en fonction de l'impulsion d'un semi-conducteur de Weyl (ou cône de Weyl non apparié) à la surface de cristaux TaAs. Les cônes bleu et rouge sont la paire de points ou noeuds de Weyl. Ils sont reliés par la surface d'un arc de Fermi. Lire T.E. O'Brien et al. (2016). Document LION.

En fait le "fermion de Weyl" porte mal son nom car ce n'est pas exactement un fermion mais une quasi-particule sans masse et chargée; elle ne peut exister que dans un solide - constitué de fermions d'où son nom - tel qu'un cristal et jamais sous forme de particule élémentaire.

C'est en 1928 que le mathématicien et physicien Paul Dirac proposa une équation pour unifier la mécanique quantique et la relativité restreinte en décrivant la nature de l'électron. Cette nouvelle équation suggérait l'existence de trois fermions relativistes distincts : le fermion de Dirac, celui de Majorana et celui de Weyl.

En 1929, le mathématicien Hermann Weyl proposa d'utiliser une version simplifiée de ce concept pour décrire la propagation de l'énergie dans un conducteur.

Le concept de fermion de Weyl use et abuse de notions méconnues voire étrangères du grand public allant du spectre d'énergie au Hamiltonien, sans oublier la notion d'énergie de Fermi, les fonction d'ondes dans l'espace de Hilbert, les vecteurs d'états dans l'espace de Fock fermionique ou les surfaces dans l'espace d'impulsion des fermions, autant de concepts très abstraits que nous laisserons volontiers aux mathématiciens et aux physiciens. Mais cela signifie surtout qu'il est impossible d'illustrer notre sujet sans représentations mathématiques, que ce soit des équations ou des graphiques tels celui présenté à droite mais qui restent encore très obscurs pour les non spécialistes. Nous nous limiterons donc au résumé des expériences et aux conclusions des chercheurs.

Après plus de 85 ans de tâtonnements et de recherches, les fermions de Weyl furent découverts en 2015 dans des états solides (un cristal métallique synthétique d'arséniure de tantale, TaAs) par des chercheurs de l'Université de Princeton (cf. M.Z. Hasan et al., 2015).

L'une des particularités des fermions de Weyl est de se déplacer dans un matériau semi-conducteur de manière très ordonnée et pratiquement sans collision. Ils pourraient donc être utilisés pour résoudre les "embouteillages" qui surviennent avec les électrons dans les circuits électroniques où ils produisent un effet isolant (cf. EPFL). De plus, les fermions ou plus précisément les électrons de Weyl peuvent transporter des charges au moins 1000 fois plus vite que les électrons des semi-conducteurs ordinaires, et deux fois plus vite qu'à l'intérieur du graphène tout en permettant de fabriquer un dispositif dissipant très peu de chaleur. Bref, les fermions de Weyl sont particulièrement efficaces en termes énergétiques et ouvrent de fascinantes perspectives pour l'électronique du futur.

Les semi-métaux de Weyl

Jusqu'ici, on avait détecté des fermions de Weyl uniquement dans des matériaux non magnétiques. Mais en 2019 des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse ont montré expérimentalement qu'il existe également des fermions de Weyl dans un matériau paramagnétique possédant des champs magnétiques internes avec des altérations aléatoires ou fluctuations relativement lentes du champ magnétique (cf. J.Ma et al., 2019). Pour les chercheurs, cela signifie qu'il est possible de manipuler des fermions de Weyl avec des champs magnétiques faibles.

Selon Minh Shi du PSI et coauteur de cette étude, "Dans certains matériaux paramagnétiques, ces fluctuations magnétiques intrinsèques pourraient suffire pour produire une paire de fermions de Weyl". Mais ces fluctuations doivent être suffisamment lentes pour permettre aux fermions de Weyl de se former.

Le matériau paramagnétique candidat le plus prometteur est l'arséniure d'europium-cadmium, de formule chimique EuCd2As2, dans lequel les chercheurs ont pu démontrer expérimentalement l'existence de fermions de Weyl.

Selon Junzhang Ma, "Nous avons montré que des fermions de Weyl pouvaient exister dans une plus grande gamme de matériaux que ce que l'on imaginait jusque là".

Cette découverte élargit considérablement la liste des matériaux qui pourraient servir dans l'électronique du futur. Cela permet d'entrevoir des applications dans le domaine de la spintronique, une spécialité de l'électronique promue à un bel avenir dans les technologies informatiques innovantes exploitant ce qu'on surnomme déjà la "Weyltronique". On pourrait notamment utiliser les fermions de Weyl pour fabriquer des mémoires ultra-rapides, pour améliorer les ordinateurs quantiques et pour transmettre des informations avec une efficacité bien supérieure à celle des électrons utilisés dans la technologie actuelle.

Découverte d'une nouvelle propriété de la lumière : l'auto-couple

Une équipe de chercheurs affiliés à plusieurs instituts de recherches espagnols (U.Salamanque, BIST) et américains (UCB, NIST, KMLabs) annonça en 2019 dans la revue "Science" avoir découvert une nouvelle propriété de la lumière : l'auto-couple (self-torque). Les chercheurs ont également décrit les utilisations possibles de cette propriété.

Les scientifiques connaissent depuis longtemps les propriétés de la lumière telles que la longueur d'onde et sa polarisation. Plus récemment on découvrit que la lumière pouvait être tordue, une propriété appelée le moment cinétique (R.A. Beth, 1936; K.Bliokh et al., 2015). On découvrit également qu'un champ pouvait porter un moment linéaire et un moment angulaire (cf. F.J. Belinfante, 1940). Mais il faudra attendre plus d'un demi-siècle pour que des chercheurs découvrent que la lumière pouvait porter deux types de moment angulaire : un moment angulaire de spin (SAM en anglais), associé à son état de polarisation, et un moment angulaire orbital (OAM en anglais), associé à une phase transverse hélicoïdale (cf. A.Beijersbergen et al., 1992). Ces dernières propriétés ont trouvé d'importantes implications dans le traitement de l'information quantique (cf. C.Borges et al., 2010; J.Leach et al., 2010).

Les faisceaux ayant un moment angulaire hautement structuré portent un moment angulaire orbital et sont appelés faisceaux ou beams vortex. Ils apparaissent sous la forme d'une hélice entourant un centre commun et, lorsqu'ils heurtent une surface plane, ils prennent la forme d'un beignet (donut). Pour cette étude, les chercheurs travaillaient avec des faisceaux OAM de très courtes longueur d'onde lorsqu'ils ont découvert que la lumière se comportait d'une manière jamais observée auparavant.

A voir : Structured light concepts and theory, light twist OAM, ISPNLO

Light in a Twist: Optical Angular Momentum

Deux illustrations d'une nouvelle propriété des faisceaux lumineux, l'auto-couple ou couple propre (self-torque) associé à une variation temporelle du moment angulaire orbital (OAM). A gauche, la génération de faisceaux EUV à auto-couple. (A) Deux impulsions infrarouges femtosecondes retardées avec différentes OAM sont focalisées sur une cible gazeuse pour produire des faisceaux EUV auto-couplés en sortie du nuage de gaz. La signature distinctive des faisceaux auto-couplés est leur valeur OAM dépendante du temps, comme indiqué en (B) pour la 17e harmonique (47 nm, avec un couple propre ξ17 = 1.32 fs-1). (C) L'auto-couple imprime un chirp ou modulation de fréquence azimutale, ce qui permet sa mesure expérimentale. A droite, schéma de la même expérience. Deux impulsions laser vortex infrarouge temporisées (en haut à gauche) frappent une cible gazeuse et génèrent une lumière EUV cohérente dont le moment angulaire orbital (OAM) varie au cours du temps (à droite) : c'est l'auto-couple de la lumière. Documents Laura Rego et al. (2019).

Les expériences ont consisté à éclairer un nuage d'argon avec deux lasers femtosecondes en faisant en sorte que les faisceaux soient obligés de se chevaucher. Ils se sont réunis et ont émis un faisceau unique de l'autre côté du nuage d'argon. Le résultat était un type de faisceau vortex. Les chercheurs se sont alors demandés ce qui se passerait si les lasers avaient un moment angulaire orbital différent et s'ils étaient légèrement désynchronisés. Cela aboutit à un faisceau qui ressemblait à un tire-bouchon dont la torsion changeait progressivement. Lorsque le faisceau heurta une surface plane, il ressembla à un croissant de Lune. Les chercheurs ont noté que, sous un autre angle, un photon situé à l'avant du faisceau gravitait autour de son centre plus lentement qu'un photon situé à l'arrière du faisceau. Les chercheurs ont rapidement qualifié la nouvelle propriété d'auto-couple. Il ne s'agit pas seulement d'une nouvelle propriété de la lumière mais également d'une propriété qui n'a jamais été prédite.

Les chercheurs suggèrent qu'il devrait être possible d'utiliser leur technique pour moduler le moment angulaire orbital de la lumière de manière très similaire à la modulation de fréquence dans les équipements radios. Cela pourrait conduire au développement de nouveaux instruments capables de manipuler des objets extrêmement petits.

Pour plus d'informations

arXiv

Researchgate.net

Nature

Nature Quantum Physics

Science

Physical Review B

Physics

2Physics

Material Today

Resonance.

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