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ADes physiciens contribuent à la découverte d'un effet quantique « étrange » au Grand collisionneur de hadrons (LHC)

Par l'Université d'Oxford

Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan

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Le détecteur ATLAS au CERN. Crédit : 2007–2026 CERN

Des physiciens de l'Université d'Oxford ont contribué à confirmer que l'un des phénomènes les plus étranges de la physique – l'intrication quantique – se produit même parmi les particules les plus lourdes et les plus éphémères jamais créées. Cette découverte, réalisée grâce au collisionneur de particules le plus puissant au monde, au CERN, a été publiée dans Physical Review Letters.

L'intrication est le phénomène par lequel deux particules de même origine restent liées, même si elles sont très éloignées l'une de l'autre dans le temps et l'espace. Si une force affecte une particule, elle affectera également toutes les particules avec lesquelles elle est intriquée. Cela signifie que la mesure d'une propriété d'une particule permet instantanément de connaître une propriété de ses partenaires intriqués, quelle que soit la distance qui les sépare.

Albert Einstein a qualifié l'intrication d'« action fantomatique à distance », et ce phénomène a été démontré dans divers systèmes, notamment les photons, les électrons et les ions piégés. Aujourd'hui, l'intrication n'est plus une simple curiosité : elle sous-tend des technologies émergentes telles que les ordinateurs quantiques, les réseaux de communication quantique ultra-sécurisés et les capteurs de nouvelle génération. Par exemple, en informatique quantique, l'intrication est utilisée pour manipuler plusieurs qubits simultanément, au lieu de les manipuler individuellement. Ceci permet d'effectuer plusieurs calculs en même temps.

Cependant, on ignorait si l'intrication quantique se maintenait dans des conditions plus extrêmes, comme celles des particules éphémères produites lors de collisions à haute énergie. Pour le vérifier, une collaboration internationale a utilisé l'expérience ATLAS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, près de Genève, en Suisse. L'équipe a recherché l'intrication dans un contexte totalement inédit : des paires de bosons Z qui n'existent qu'une fraction de seconde avant de se désintégrer.

« La mécanique quantique est à la base de l'informatique, de la sécurité et de nombreux domaines de la physique. Cependant, elle recèle encore des mystères et des énigmes. L'utilisation de collisionneurs de particules nous permet de tester la mécanique quantique à des énergies mille milliards de fois supérieures et sur des distances inférieures à la taille du noyau. Ceci nous permet d'explorer certaines des conditions extrêmes où la mécanique quantique pourrait être mise à mal, ce qui aurait des conséquences profondes pour les fondements de la science », explique le professeur Alan Barr, co-auteur de l'étude et membre du département de physique.

Les bosons Z étudiés ont été produits lors de la désintégration d'un boson de Higgs – la particule découverte au LHC en 2012 – qui s'est brièvement scindé en deux bosons Z avant que chacun ne se désintègre en paires d'électrons ou de muons. Les bosons de Higgs sont générés par la collision de protons voyageant à 99,99 % de la vitesse de la lumière, avec des énergies de 13 billions d'électronvolts.

L'accélérateur Grand collisionneur de hadrons (LHC) dans le tunnel du CERN. Crédit : 2009–2026 CERN

Détection de l'intrication quantique par la désintégration de particules

Bien que les bosons Z disparaissent presque instantanément, le détecteur ATLAS peut suivre avec précision les électrons et les muons qu'ils laissent derrière eux. En reconstruisant les angles d'émission de ces particules, les chercheurs ont pu déduire le spin des bosons Z initiaux et vérifier s'ils étaient liés par intrication quantique. Les résultats ont fortement suggéré qu'ils l'étaient. Il s'agit là de l'une des confirmations d'intrication quantique à la plus haute énergie jamais enregistrée.

Le professeur Barr, co-auteur de l'étude et membre du département de physique d'Oxford, a été l'un des premiers à proposer l'utilisation des collisionneurs de particules pour étudier l'intrication quantique à des niveaux d'énergie bien supérieurs à ceux de tous les tests précédents. Ayant participé à la construction du LHC, il a compris que cet appareil colossal pouvait servir à bien plus que la simple découverte de nouvelles particules. Ses idées ont inspiré une expérience menée en 2023, utilisant également le détecteur ATLAS, qui a démontré l'intrication entre paires de quarks top, la particule élémentaire la plus lourde connue.

Le professeur Barr a déclaré : « On a l'habitude de considérer l'intrication comme un phénomène délicat, observable lors d'expériences en laboratoire avec des photons uniques. La découvrir bien réelle parmi des particules aussi lourdes et éphémères que les bosons Z, créées lors de certaines des collisions les plus violentes que l'on puisse produire sur Terre, montre à quel point cet effet quantique est fondamental et robuste. C'est un rappel important que les mêmes lois étranges de la mécanique quantique, qui pourraient un jour alimenter les ordinateurs quantiques, sont à l'œuvre partout dans la nature, même aux énergies extrêmes du Grand collisionneur de hadrons (LHC).»

« Il est réjouissant de constater que l'utilisation des collisionneurs de particules pour tester les effets quantiques est devenue un sous-domaine majeur de la physique, avec plus d'une centaine de chercheurs qui y travaillent dans le monde entier », a ajouté le professeur Barr, co-auteur de l'étude et membre du département de physique.

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RESUME

Des physiciens contribuent à la mise en évidence d'un effet quantique « mystérieux » au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Les données de collision d'ATLAS apportent des preuves solides d'intrication quantique entre les paires de bosons Z produites lors de la désintégration du boson de Higgs. La reconstruction des angles de désintégration des électrons et des muons a permis de déduire des états de spin corrélés des bosons Z, étendant ainsi les tests d'intrication aux particules de courte durée de vie à des énergies de collision de l'ordre du TeV.

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COMMENTAIRES

Pour les élèves  je cite les caracteristiques du boson  Z  et cellrds du boson de HIiggs ; non !me disent ils ;a quoi servent d 'abord les bosons en général ????     En physique des particules, l'univers est divisé en deux grandes familles : les bosons et les fermions.Pour faire une analogie simpliste, si l'Univers était un bâtiment en Lego, les fermions seraient les briques tandis que les bosons seraient les emboitements serrés

qui servent de

''colle'' pour les maintenir ensemble.!!!

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Pour  traier le sujet de l article je dois rappeler que le boson  ZI      sert de particule médiatrice pour véhiculer l'interaction nucléaire faible, l'une des forces fondamentales de la nature.Et pour le boson de Higgs il sert à expliquer d'où vient la masse des particules élémentaires dans l'univers.

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 Aprés mes  explications  ''tordues''

vous ne serez pas étonnés chers lecteurs  d apprendre  que bien des choses  restent a découvrir  a l 'échelle du monde quantique  !!!