Mathematical methods point to possibility of particles long thought impossible
TRADUCTION COMMENTAIRES DE RICHARD OLIVIER HARTMANSHENN
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Des méthodes mathématiques suggèrent la possibilité de particules longtemps considérées comme impossibles
par George Hale, Rice University
Le modèle de spin exactement soluble en 2D sur un réseau 7 × 7 avec des conditions aux limites ouvertes. Crédit : Nature (2025). DOI : 10.1038/s41586-024-08262-7
Depuis les débuts de la mécanique quantique, les scientifiques ont pensé que toutes les particules pouvaient être classées dans l'un des deux groupes, les bosons ou les fermions, en fonction de leur comportement.
Cependant, de nouvelles recherches menées par le physicien de l'université Rice Kaden Hazzard et l'ancien étudiant diplômé de Rice Zhiyuan Wang montrent la possibilité de particules qui ne sont ni des bosons ni des fermions. Leur étude, publiée dans Nature, démontre mathématiquement l'existence potentielle de paraparticules qui ont longtemps été considérées comme impossibles.
« Nous avons déterminé que de nouveaux types de particules que nous ne connaissions pas auparavant sont possibles », a déclaré Hazzard, professeur associé de physique et d'astronomie.
La mécanique quantique a longtemps soutenu que toutes les particules observables sont soit des fermions, soit des bosons. Ces deux types de particules se distinguent par la façon dont ils se comportent à proximité d'autres particules dans un état quantique donné. Les bosons peuvent se rassembler en nombre illimité, alors qu'un seul fermion peut exister dans un état donné. Ce comportement des fermions est appelé principe d'exclusion de Pauli, qui stipule que pas plus de deux électrons, chacun avec des spins opposés, ne peuvent occuper la même orbitale dans un atome.
"Ce comportement est responsable de toute la structure du tableau périodique", a déclaré Hazzard. "C'est aussi pourquoi vous ne passez pas simplement par votre chaise lorsque vous vous asseyez."
Dans les années 1930 et 1940, les chercheurs ont commencé à essayer de comprendre si d'autres types de particules pouvaient exister. Une théorie quantique concrète de ces particules, appelées paraparticules, a été formulée en 1953 et étudiée en profondeur par la communauté de la physique des hautes énergies. Cependant, dans les années 1970, des études mathématiques ont semblé montrer que les soi-disant paraparticules n'étaient en fait que des bosons ou des fermions déguisés. La seule exception était l'existence des anyons, un type exotique de particule qui n'existe qu'en deux dimensions.
Cependant, les théories mathématiques des années 1970 et au-delà étaient basées sur des hypothèses qui ne sont pas toujours vraies dans les systèmes physiques. En utilisant une solution à l'équation de Yang-Baxter, une équation utile pour décrire l'échange de particules, ainsi que la théorie des groupes et d'autres outils mathématiques, Hazzard et Wang se sont mis au travail pour montrer que les paraparticules pouvaient théoriquement exister et être entièrement compatibles avec les contraintes connues de la physique.
Les chercheurs se sont concentrés sur les excitations - qui peuvent être considérées comme des particules - dans les systèmes de matière condensée tels que les aimants pour fournir un exemple concret de la façon dont les paraparticules peuvent émerger dans la nature.
"Les particules ne sont pas seulement ces choses fondamentales", a déclaré Hazzard. "Elles sont également importantes pour décrire les matériaux."
"Il s'agit d'une recherche interdisciplinaire qui implique plusieurs domaines de la physique théorique et des mathématiques", a déclaré Wang, aujourd'hui chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck d'optique quantique en Allemagne.
En utilisant des mathématiques avancées, telles que les algèbres de Lie, les algèbres de Hopf et la théorie des représentations, ainsi qu'une méthode picturale basée sur ce que l'on appelle les diagrammes de réseau tensoriel pour mieux gérer les équations, Hazzard et Wang ont pu effectuer des calculs algébriques abstraits pour développer des modèles de systèmes de matière condensée dans lesquels des paraparticules émergent.
Ils ont montré que, contrairement aux fermions ou aux bosons, les paraparticules se comportent de manière étrange lorsqu'elles échangent leurs positions avec les états internes des particules qui se transmutent au cours du processus.
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Bien qu'ils soient révolutionnaires en eux-mêmes, ces modèles constituent la première étape vers une meilleure compréhension de nombreux nouveaux phénomènes physiques qui pourraient se produire dans les systèmes de paraparticules. Le développement ultérieur de cette théorie pourrait guider des expériences qui pourraient détecter des paraparticules dans les excitations de systèmes de matière condensée.
« Pour réaliser des paraparticules dans des expériences, nous avons besoin de propositions théoriques plus réalistes », a déclaré Wang.
La découverte de nouvelles particules élémentaires et de propriétés dans les matériaux pourrait être utilisée dans l'information et le calcul quantiques, par exemple pour communiquer secrètement des informations en manipulant les états internes des particules.
La réflexion sur les applications possibles en est à ses débuts et reste encore principalement une spéculation. Cette étude est une première étape dans l'étude de la parastatistique dans les systèmes de matière condensée, mais on ne sait pas où ces découvertes pourraient mener. L'exploration plus approfondie des nouveaux types de théories découvertes et l'observation de paraparticules dans les systèmes de matière condensée et d'autres matériaux feront l'objet de recherches à l'avenir.
« Je ne sais pas où cela nous mènera, mais je sais que ce sera passionnant de le découvrir », a déclaré Hazzard.
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COMMENTAIRES
Des methodes
mathématiques suggèrent la possibilité de particules longtemps considérées comme impossibles
Dès les premiers jours de la mécanique quantique, les scientifiques ont pensé que toutes sotyes de
particules pouvaient être classées dans l'un des deux groupes, les bosons ou les fermions, en fonction de leur comportement. Is s avère que le nigmes actuelles non résolues telles que la matière noire ,es axions ,les partons et les particules de Majorama ,les quasi particules etc redent cette terminologie trop restreinte !!
Permettez moi de douter que les mathématiques puissent presenter un interet pour une orientation expérimentale précise des recherches ....
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More information: Zhiyuan Wang et al, Particle exchange statistics beyond fermions and bosons, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08262-7
Journal information: Nature
Provided by Rice University
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