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Physique des particules

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 de l'actualité, le lecteur pouvant approfondir sa lecture en suivant le lien référencé dans l'article.

Le méson D0, 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 D0. Les trois autres pouvant osciller entre matière et antimatière sont le méson K0 et les deux types de mésons B.

Le méson D0 est normalement constitué d'un quark charmé et d'un antiquark up, tandis que son équivalent antimatière se compose d'un antiquark charmé et d'un quark up. Normalement, ces états sont séparés, mais cette découverte montre que les mésons charmés peuvent spontanément basculer entre les deux états.

Le secret de ce phénomène réside dans une infime différence de masse. Par défaut, le méson D0 présente une masse de repos de 1864.6 MeV/c2. Au cours de l'expérience les chercheurs ont découvert que le méson D0 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 D0 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. 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 de 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, l'expérience LHCb s'est déroulée entre 2016 et 2018 au cours de laquelle les physiciens ont analysé 30.6 millions de décroissances D0 → K°π+π.

Cette découverte apparement 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 a fait l'objet d'un article publié sur le serveur arXiv en 2021 par la Collaboration LHCb (qui rassemble plus de 950 chercheurs) et sera prochainemenrt disponible dans les "Physical Review Letters".

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.

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 a envisagé autre chose, et lorsqu'on lui a posé 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 suivant.

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.

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.

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).

L'expérience sur les anyons réalisée par les chercheurs français. Document M. Kumar (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

Weyl fermions point the way to advanced computer memory, Materials Today, 2020

Spin fluctuation induced Weyl semimetal state in the paramagnetic phase of EuCd2As2, Junzhang Ma et al., Sciences Advances, 12 July 2019

A Massless Particle Which Could Revolutionize Electronics, Resonance, 2017

A pressure-induced topological phase with large Berry curvature in Pb1−xSnxTe, Tian Liang et al., Science Advances, 2017

Prediction and control of spin polarization in a Weyl semimetallic phase of BiSb, Sobhit Singh et al., Physical Review B, 2016

Discovery of Weyl Fermions, Topological Fermi Arcs and Topological Nodal-Line States of Matter, 2Physics, 2016

Discovery of a Weyl fermion semimetal and topological Fermi arcs, M. Zahid Hasan et al., 2015

Surprising discovery of a new particle, ETH Zürich, 2015

Where the Weyl Things Are, Ashvin Vishwanathn, Physics, 2015

Dirac, Majorana and Weyl fermions, Palash B. Pal, arXiv, 2010.

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