Dans un après-midi pandémique tranquille en 2021, Zhiyuan Wang, alors étudiant diplômé à l’Université Rice, soulait son ennui en travaillant sur un problème mathématique étrange. Après avoir trouvé une solution exotique, il a commencé à se demander si les mathématiques pouvaient être interprétées physiquement. Finalement, il s’est rendu compte qu’il semblait décrire un nouveau type de particule: celui qui n’est ni une particule de matière ni une particule porteuse de force. Cela semblait être autre chose.
Wang était impatient de développer la découverte accidentelle en une théorie complète de ce troisième type de particule. Il a apporté l’idée à Kaden Hazzard, son conseiller universitaire.
« J’ai dit, je ne suis pas sûr de croire que cela peut être vrai », se souvient Hazzard, « mais si vous pensez vraiment que c’est le cas, vous devriez mettre tout votre temps là-dessus et laisser tomber tout le reste sur lequel vous travaillez. »
En janvier, Wang, maintenant chercheur postdoctoral au Max Planck Institute of Quantum Optics en Allemagne, et Hazzard a publié leur résultat raffiné dans la revue Nature. Ils disent qu’une troisième classe de particules, appelées paraparticules, peut en effet exister et que ces particules pourraient produire de nouveaux matériaux étranges.
Lorsque le document est apparu, Markus Müller, physicien de l’Institut pour l’optique quantique et les informations quantiques à Vienne, était déjà en train de faire face à la notion de paraparticules pour une raison différente. Selon la mécanique quantique, un objet ou un observateur peut être à plusieurs endroits à la fois. Müller pensait à la façon dont vous pouviez, sur papier, basculer entre les perspectives des observateurs dans ces «branches» coexistantes de la réalité. Il s’est rendu compte que cela était venu avec de nouvelles contraintes sur la possibilité de paraparticules, et son équipe a décrit leurs résultats dans une préimpression en février qui est maintenant en cours d’examen pour la publication dans un journal.
Le timing étroit des deux papiers était une coïncidence. Mais pris ensemble, le travail réouverture le cas d’un mystère de physique qui aurait été résolu il y a des décennies. Une question fondamentale est d’être réévaluée: quels types de particules notre monde autorise-t-il?
Mondes cachés
Toutes les particules élémentaires connues entrent dans l’une des deux catégories, et les deux se comportent presque comme des opposés. Il y a les particules qui compensent la matière, appelées fermions, et les particules qui confèrent les forces fondamentales, appelées bosons.
La caractéristique déterminante des fermions est que si vous changez les positions de deux fermions, leur état quantique gagne un signe moins. La présence de ce signe moins inhabituel a d’énormes ramifications. Cela signifie qu’aucune fermion ne peut être au même endroit en même temps. Lorsqu’ils sont emballés ensemble, les fermions ne peuvent pas être compressés au-delà d’un certain point. Cette caractéristique empêche la matière de s’effondrer sur elle-même – c’est pourquoi les électrons de chaque atome existent dans des «coquilles». Sans ce signe moins, nous ne pourrions pas exister.
Les bosons n’ont pas une telle restriction. Des groupes de bosons feront volontiers tous la même chose. Un certain nombre de particules de lumière, par exemple, peuvent être au même endroit. C’est ce qui permet de construire des lasers, qui émettent de nombreuses particules de lumière identiques. Cette capacité se résume au fait que lorsque deux bosons échangent des endroits, leur état quantique reste le même.
Il n’est pas évident que les fermions et les bosons devraient être les deux seules options.
Cela est en partie dû à une caractéristique fondamentale de la théorie quantique: pour calculer la probabilité de mesurer une particule dans un état particulier, vous devez prendre la description mathématique de cet état et la multiplier par elle-même. Cette procédure peut effacer les distinctions. Un signe moins, par exemple, disparaîtra. Si l’on donne le numéro 4, un Péril! Le candidat n’aurait aucun moyen de savoir si la question était « Qu’est-ce que 2 au carré? » ou « Qu’est-ce que le négatif 2 au carré? » – Les deux possibilités sont mathématiquement valides.
C’est à cause de cette caractéristique que les fermions, malgré le fait de gagner un signe moins lorsqu’ils sont échangés, tous se ressemblent lorsqu’ils sont mesurés – le signe moins disparaît lorsque les états quantiques sont carrés. Cette indiscernabilité est une propriété cruciale des particules élémentaires; Aucune expérience ne peut en distinguer deux de l’autre.
Mais un signe moins n’est peut-être pas la seule chose qui disparaît. En théorie, les particules quantiques peuvent également avoir des états internes cachés, des structures mathématiques non observées dans les mesures directes, qui disparaissent également lorsqu’elles sont au carré. Une troisième catégorie plus générale de particules, connue sous le nom de paraparticule, pourrait provenir de cet état interne changeant de multitude de manières tandis que les particules échangent des lieux.
Bien que la théorie quantique semble le permettre, les physiciens ont eu du mal à trouver une description mathématique d’une paraparticule qui fonctionne. Dans les années 1950, le physicien Herbert Green a fait quelques tentatives, mais une inspection plus approfondie a révélé que ces modèles de paraparticules n’étaient vraiment que des combinaisons mathématiques de bosons et de fermions typiques.
Dans les années 1970, le mystère de la raison pour laquelle personne n’a pu trouver un modèle approprié de paraparticules semblait résolu. Une collection de théorèmes appelée théorie du DHR, après les physiciens mathématiques Sergio Doplicher, Rudolf Haag et John Roberts, prouvait que si certaines hypothèses sont vraies, seuls les bosons et les fermions sont physiquement possibles. Une hypothèse est la «localité», la règle selon laquelle les objets ne peuvent être affectés que par les choses à proximité. (« Si je pique ma table, je ne ferais mieux pas affecter instantanément la lune », comme l’a dit Hazzard.) La preuve du DHR a également supposé que l’espace est (au moins) en trois dimensions.
Les résultats ont découragé de nouvelles entreprises dans des paraparticules pendant des décennies, à une exception. Au début des années 1980, le physicien Frank Wilczek a proposé une théorie des particules appelées anyons qui ne peuvent être décrites comme des bosons ni des fermions. Pour contourner les théorèmes du DHR, tout le monde vient avec une grosse prise: ils ne peuvent exister que en deux dimensions.
Les physiciens étudient désormais largement tout le potentiel dans l’informatique quantique. Même confinés à deux dimensions, ils pourraient se manifester sur une surface plane d’un matériau, ou dans un tableau 2D de qubits dans un ordinateur quantique.
Mais les paraparticules en trois dimensions qui pourraient former un solide semblaient encore impossibles. C’est-à-dire jusqu’à présent.
Viseurs changeants
Tout en développant leur modèle, Wang et Hazzard ont remarqué que les hypothèses derrière la théorie du DHR allaient au-delà des préoccupations typiques de la localité. « Je pense que les gens ont trop interprété quelles limitations ou contraintes ont été réellement imposées par ces théorèmes », a déclaré Hazzard. Les paraparticules, ils ont réalisé, peuvent être théoriquement possibles après tout.
Dans leur modèle, en plus des propriétés habituelles d’une charge et du spin de type particule, les groupes de paraparticules partagent des propriétés cachées supplémentaires. Comme pour le signe moins qui se fait au carré lors d’une mesure, vous ne pouvez pas mesurer directement ces propriétés cachées, mais elles changent la façon dont les particules se comportent.
Lorsque vous échangez deux paraparticules, ces propriétés cachées changent en tandem. Comme analogie, imaginez que ces propriétés sont des couleurs. Commencez avec deux paraparticules, l’un qui est rouge en interne et un autre qui est bleu en interne. Lorsqu’ils échangent des places, plutôt que de garder ces couleurs, ils changent tous les deux de manière correspondante, comme prescrit par les mathématiques du modèle particulier. Peut-être que l’échange les laisse verts et jaunes. Cela se transforme rapidement en un jeu complexe, où les paraparticules s’affichent mutuellement de manière invisible à mesure qu’ils se déplacent.
Pendant ce temps, Müller était également occupé à repenser les théorèmes du DHR. « Ce n’est pas toujours super transparent ce qu’ils veulent dire, car c’est dans un cadre mathématique très compliqué », a-t-il déclaré.
Son équipe a adopté une nouvelle approche de la question paraparticulaire. Les chercheurs ont considéré le fait que les systèmes quantiques peuvent exister dans plusieurs états possibles à la fois – ce qu’on appelle une superposition. Ils ont imaginé basculer entre les perspectives des observateurs qui existent dans ces états superposés, chacun qui décrit leur branche de la réalité légèrement différemment. Si deux particules sont vraiment indiscernables, ils figuraient, alors peu importe si les particules sont échangées dans une branche de la superposition et non dans l’autre.
« Peut-être que si les particules sont à proximité, je les échange, mais si elles sont loin, je ne fais rien », a déclaré Müller. « Et s’ils sont dans une superposition des deux, alors je fais l’échange dans une branche, et rien dans l’autre branche. » La question de savoir si les observateurs à travers les branches étiquettent les deux particules de la même manière ne devraient faire aucune différence.
Cette définition plus stricte de l’indiscernabilité dans le contexte des superpositions impose de nouvelles restrictions aux types de particules qui peuvent exister. Lorsque ces hypothèses se maintiennent, les chercheurs ont constaté que les paraparticules sont impossibles. Pour qu’une particule soit vraiment indiscernable par la mesure, comme les physiciens s’attendent à ce que les particules élémentaires soient, ce doit être un boson ou un fermion.
Bien que Wang et Hazzard aient d’abord publié leur article, c’est comme s’ils avaient vu les contraintes de Müller arriver. Leurs paraparticules sont possibles car leur modèle rejette l’hypothèse de départ de Müller: les particules ne sont pas indiscernables dans le plein sens requis dans le contexte des superpositions quantiques. Cela vient avec une conséquence. Bien que l’échange de deux paraparticules n’a aucun effet sur les mesures d’une personne, deux observateurs, en partageant leurs données, peuvent déterminer si les paraparticules ont été échangés. En effet En ce sens, ils pouvaient distinguer les deux paraparticules.
Cela signifie qu’il existe un potentiel pour les nouveaux états de matière. Lorsque les bosons peuvent emballer un nombre infini de particules dans le même état et que les fermions ne peuvent pas partager un état, les paraparticules se retrouvent quelque part au milieu. Ils sont capables d’emballer quelques particules dans le même état, avant de se faire bonder et de forcer les autres dans de nouveaux États. Le nombre exact du nombre peut être entassé ensemble dépend des détails de la paraparticule – le cadre théorique permet des options sans fin.
« Je trouve leur article vraiment fascinant, et il n’y a absolument aucune contradiction avec ce que nous faisons », a déclaré Müller.
La route vers la réalité
S’il existe des paraparticules, ils seront très probablement des particules émergentes, appelées quasiparticules, qui apparaissent comme des vibrations énergétiques dans certains matériaux quantiques.
« Nous pourrions obtenir de nouveaux modèles de phases exotiques, qui étaient difficiles à comprendre auparavant, que vous pouvez désormais résoudre facilement des paraparticules », a déclaré Meng Cheng, physicien à l’Université de Yale qui n’était pas impliquée dans la recherche.
Bryce Gadway, physicien expérimental à la Pennsylvania State University qui collabore parfois avec Hazzard, est optimiste que des paraparticules seront réalisées dans le laboratoire au cours des prochaines années. Ces expériences utiliseraient des atomes de Rydberg, qui sont des atomes dynamiques avec des électrons qui errent très loin de leurs noyaux. Cette séparation de la charge positive et négative rend les atomes de Rydberg particulièrement sensibles aux champs électriques. Vous pouvez construire des ordinateurs quantiques à partir des atomes de Rydberg en interaction. Ils sont également les candidats parfaits pour créer des paraparticules.
« Pour un certain type de simulateur quantique Rydberg, c’est un peu ce qu’ils feraient naturellement », a déclaré Gadway à propos de la création de paraparticules. « Vous les préparez et les regardez évoluer. »
Mais pour l’instant, le troisième royaume des particules reste entièrement théorique.
« Les paraparticules pourraient devenir importants », a déclaré Wilczek, le physicien et inventeur vainqueur du prix Nobel de Anyons. « Mais à l’heure actuelle, ils sont essentiellement une curiosité théorique. »
Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quantaune publication éditoriale indépendante soutenue par le Simonsfoundation.
