Des physiciens du plus grand collisionneur d’atomes au monde ont observé pour la première fois deux quarks dans un état d’intrication quantique.
L’observation, faite à la Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, près de Genève, a révélé un quark top — la particule fondamentale la plus lourde — lié quantiquement à son homologue antimatière dans la détection d’intrication à la plus haute énergie jamais réalisée. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 18 septembre dans la revue Nature.
L’expérience ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) est le plus grand détecteur du LHC et détecte les minuscules particules subatomiques créées lorsque des faisceaux de particules s’entrechoquent à des vitesses proches de celles de la lumière.
« Alors que la physique des particules est profondément enracinée dans mécanique quantiquel’observation de l’intrication quantique dans un nouveau système de particules et à une énergie beaucoup plus élevée que ce qui était possible auparavant est remarquable », Andréas Höckera déclaré dans un communiqué envoyé par courriel un porte-parole de l’expérience ATLAS. « Cela ouvre la voie à de nouvelles recherches sur ce phénomène fascinant, ouvrant un riche menu d’exploration à mesure que nos échantillons de données continuent de croître. »
Les particules intriquées ont leurs propriétés liées les unes aux autres, de sorte qu’un changement dans l’une entraîne instantanément un changement dans l’autre, même si elles sont séparées par de grandes distances. Albert Einstein a rejeté l’idée de manière célèbre comme une « action effrayante à distance », mais des expériences ultérieures ont prouvé que cet effet bizarre et perturbateur de localité est bel et bien réel.
Mais de nombreux aspects de l’intrication restent inexplorés, et celui des quarks en fait partie. En effet, les particules subatomiques ne peuvent exister seules, mais fusionnent pour former diverses « recettes » de particules appelées hadrons. Les mélanges de trois quarks sont appelés baryons (comme le proton et le neutron) et les combinaisons de quarks et de leurs opposés d’antimatière sont appelées mésons.
Lorsque des quarks individuels sont arrachés aux hadrons, l’énergie utilisée pour les extraire les rend immédiatement instables et ils se désintègrent en jets ramifiés de particules plus petites dans un processus connu sous le nom d’hadronisation.
Pour observer l’intrication d’un quark top et d’un antiquark, les scientifiques des détecteurs ATLAS et CMS (Compact Muon Solenoid) du LHC ont donc dû distinguer les particules qui se désintègrent parmi des milliards d’autres. Ils ont notamment cherché des particules dont les produits de désintégration sont émis sous un angle particulier qui n’apparaît qu’entre particules intriquées.
En mesurant ces angles et en corrigeant les effets expérimentaux qui auraient pu les modifier, l’équipe a observé un enchevêtrement entre les particules supérieures avec une signification statistique suffisamment importante pour être considérée comme réelle. Maintenant que les particules enchevêtrées ont été repérées, les scientifiques disent qu’ils veulent les étudier pour sonder davantage la physique inconnue.
« Avec des mesures d’intrication et d’autres concepts quantiques dans un nouveau système de particules et à une gamme d’énergie au-delà de ce qui était auparavant accessible, nous pouvons tester la Modèle standard de la physique des particules de nouvelles façons et de rechercher des signes d’une nouvelle physique qui pourrait se trouver au-delà », Patricia McBridea déclaré un porte-parole de l’expérience CMS, dans le communiqué.
