Même les particules les plus lourdes subissent les étrangetés quantiques habituelles, comme le montre une nouvelle expérience

L’une des prédictions les plus surprenantes de la physique est l’intrication, un phénomène dans lequel des objets peuvent être éloignés les uns des autres tout en restant liés entre eux. Les exemples les plus connus d’intrication concernent de minuscules particules de lumière (photons) et de faibles énergies.

Au Grand collisionneur de hadrons de Genève, le plus grand accélérateur de particules au monde, une expérience baptisée ATLAS vient de découvrir une intrication dans des paires de quarks top : les particules les plus lourdes connues de la science.

Les résultats sont décrits dans un nouveau papier de mes collègues et de moi-même dans la collaboration ATLAS, publié aujourd’hui dans Nature.

Qu’est-ce que l’intrication ?

Dans la vie de tous les jours, nous pensons que les objets sont soit « séparés », soit « connectés ». Deux balles à un kilomètre de distance sont séparées. Deux balles reliées par un bout de ficelle sont connectées.

Lorsque deux objets sont « intriqués », il n’y a pas de lien physique entre eux, mais ils ne sont pas non plus vraiment séparés. Vous pouvez mesurer le premier objet, et cela suffit pour savoir ce que fait le second, avant même de le regarder.

Les deux objets forment un seul système, même si rien ne les relie. Ce phénomène a été démontré avec des photons situés de part et d’autre d’une ville.

L’idée sera familière aux fans de la récente série en streaming 3 Body Problem, basée sur les romans de science-fiction de Liu Cixin. Dans la série, des extraterrestres ont envoyé un minuscule superordinateur sur Terre, pour perturber notre technologie et leur permettre de communiquer avec nous. Parce que ce minuscule objet est empêtré dans un jumeau sur la planète d’origine des extraterrestres, ces derniers peuvent communiquer avec lui et le contrôler, même s’il se trouve à quatre années-lumière.

Cette partie de l’histoire relève de la science-fiction : l’intrication ne permet pas réellement d’envoyer des signaux plus vite que la lumière. (Il semble que l’intrication devrait permettre de le faire, mais selon la physique quantique, ce n’est pas possible. Jusqu’à présent, toutes nos expériences sont cohérentes avec cette prédiction.)

Mais l’enchevêtrement lui-même est réel. démontré pour la première fois pour les photons dans les années 1980dans ce qui était alors une expérience de pointe.

Aujourd’hui, vous pouvez acheter auprès d’un fournisseur commercial un boîtier qui produira des paires de photons intriqués. L’intrication est l’une des propriétés décrites par la physique quantique et l’une des propriétés que les scientifiques et les ingénieurs tentent d’exploiter pour créer de nouvelles technologies, telles que l’informatique quantique.

Depuis les années 1980, l’intrication a également été observée avec des atomes, avec certaines particules subatomiques et même avec de minuscules objets soumis à de très, très légères vibrations. Ces exemples se situent tous à de faibles énergies.

La nouveauté en provenance de Genève est que l’intrication a été observée dans des paires de particules appelées quarks top, où se trouvent de vastes quantités d’énergie dans un très petit espace.

Alors, que sont les quarks ?

La matière est constituée de molécules ; les molécules sont constituées d’atomes ; et un atome est constitué de particules légères appelées électrons, en orbite autour d’un noyau lourd au centre, comme le soleil au centre du système solaire. Nous le savions déjà grâce à des expériences réalisées vers 1911.

Nous avons ensuite appris que le noyau est constitué de protons et de neutrons, et dans les années 1970, nous avons découvert que les protons et les neutrons sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks.

Il existe six types de quarks au total : les quarks « up » et « down » qui composent les protons et les neutrons, puis quatre autres plus lourds. Le cinquième quark, le quark « beau » ou « bottom », est environ quatre fois et demie plus lourd qu’un proton, et lorsque nous l’avons découvert, nous avons pensé qu’il était très lourd. Mais le sixième et dernier quark, le quark « top », est un monstre : légèrement plus lourd qu’un atome de tungstène et 184 fois la masse d’un proton.

Personne ne sait pourquoi le quark top est si massif. Le quark top fait l’objet d’une étude approfondie au Grand collisionneur de hadrons, précisément pour cette raison. (À Sydney, où je suis basé, la plupart de nos travaux sur l’expérience ATLAS sont axés sur le quark top.)

Nous pensons que la masse très importante du quark top pourrait être un indice. Peut-être que le quark top est si massif parce qu’il subit de nouvelles forces, au-delà des quatre que nous connaissons déjà. Ou peut-être qu’il a un autre lien avec la « nouvelle physique ».

Nous savons que les lois de la physique, telles que nous les comprenons actuellement, sont incomplètes. L’étude du comportement du quark top pourrait nous ouvrir la voie vers quelque chose de nouveau.

L’intrication signifie-t-elle donc que les quarks top sont spéciaux ?

Probablement pas. La physique quantique dit que l’intrication est courante et que toutes sortes de choses peuvent être intriquées.

Mais l’intrication est également fragile. De nombreuses expériences de physique quantique sont réalisées à des températures extrêmement basses, pour éviter de heurter le système et de le perturber. Ainsi, jusqu’à présent, l’intrication a été démontrée dans des systèmes où les scientifiques peuvent créer les conditions adéquates pour effectuer les mesures.

Pour des raisons techniques, la masse très importante du quark top en fait un bon laboratoire pour étudier l’intrication. (La nouvelle mesure d’ATLAS n’aurait pas été possible pour les cinq autres types de quarks.)

Mais les paires de quarks top ne seront pas la base d’une nouvelle technologie pratique : on ne peut pas prendre le Grand collisionneur de hadrons et le transporter partout. Néanmoins, les quarks top fournissent un nouveau type d’outil pour mener des expériences, et l’intrication est intéressante en elle-même, nous allons donc continuer à chercher pour voir ce que nous trouverons d’autre.

Cet article est republié à partir de La Conversation sous licence Creative Commons. Lire la suite article original.