Les scientifiques ont scruté l’intérieur des protons et ont découvert que les quarks et les gluons, leurs éléments constitutifs fondamentaux, expérimentent intrication quantique.
Les particules intriquées sont connectées 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 cette idée comme « une action effrayante à distance », mais des expériences ultérieures ont prouvé que cet effet bizarre et briseur de localité est réel.
Les physiciens ont intrication observée entre les quarks avant mais n’avait jamais trouvé de preuve de leur existence dans un état quantiquement connecté à l’intérieur des protons.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs a découvert l’intrication entre quarks et gluons à l’intérieur des protons sur une distance d’un quadrillionième de mètre, permettant aux particules de partager des informations à travers le proton. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 2 décembre 2024 dans la revue Rapports sur les progrès de la physique.
« Pendant des décennies, nous avons eu une vision traditionnelle du proton comme un ensemble de quarks et de gluons, et nous nous sommes concentrés sur la compréhension des propriétés dites des particules uniques, notamment la manière dont les quarks et les gluons sont distribués à l’intérieur du proton », co-auteur de l’étude Zhoudunming Tuphysicien au Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, a déclaré dans un communiqué. « Maintenant, avec la preuve que les quarks et les gluons sont intriqués, cette image a changé. Nous avons un système dynamique beaucoup plus compliqué. »
« De l’action effrayante » à la plus petite échelle
Preuve expérimentale de l’intrication quantique apparu pour la première fois dans les années 1970mais de nombreux aspects du phénomène restent relativement inexplorés, notamment les interactions intriquées entre les quarks. Cela est principalement dû au fait que les particules subatomiques n’existent pas seules et fusionnent en diverses combinaisons de particules appelées hadrons. Par exemple, les baryons, comme les protons et les neutrons, sont des combinaisons de trois quarks étroitement liés entre eux par force forte-portant des gluons.
Lorsque des quarks individuels sont extraits des hadrons, l’énergie utilisée pour les extraire les rend instables, les transformant en jets de particules ramifiés dans un processus appelé hadronisation. Cela rend incroyablement difficile la tâche consistant à passer au crible les milliards de produits de désintégration des particules pour reconstruire leur état d’origine.
Mais c’est exactement ce qu’ont fait les chercheurs. Pour sonder le fonctionnement interne des protons, les scientifiques ont extrait des données collectées par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et le collisionneur de particules Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA).
Ensuite, ils ont appliqué un principe de la science de l’information quantique selon lequel l’entropie d’un système (une mesure du nombre d’états énergétiques dans lesquels un système peut être organisé, souvent appelé à tort « trouble ») augmente avec son enchevêtrement, ce qui rend la distribution des pulvérisations de particules plus désordonnée.
En comparant les pulvérisations de particules aux calculs de leur entropie, les physiciens ont découvert que les quarks et les gluons à l’intérieur des protons en collision existaient dans un état d’intrication maximale, chacun partageant le plus d’informations possible.
Les scientifiques affirment que leur découverte pourrait aider à mieux comprendre les particules fondamentales, par exemple sur la façon dont les quarks et les gluons restent confinés dans les protons. La recherche a également soulevé d’autres questions sur la façon dont l’intrication change lorsque les protons sont enfermés dans les noyaux atomiques.
« Comme les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, il est naturel de se demander quel effet l’intrication aurait sur la structure des noyaux », a déclaré Tu. « Nous prévoyons d’utiliser le collisionneur électron-ion (EIC) pour étudier cela. Cela arrivera dans 10 ans. Avant cela, certains types de collisions, appelées collisions ultra-périphériques dans les collisions d’ions lourds, pourraient également fonctionner. »