Les chercheurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand accélérateur de particules au monde, viennent de franchir une nouvelle étape dans l’exploration des lois de la nature. Ils ont en effet observé un phénomène d’intrication quantique entre les quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes, à des niveaux d’énergie inégalés. Cette avancée ouvre des perspectives inédites pour la physique des particules et pourrait révéler de nouvelles facettes des forces fondamentales qui régissent l’univers.
L’intrication quantique: un phénomène contre-intuitif
L’intrication quantique est l’un des phénomènes les plus mystérieux de la mécanique quantique. Elle se produit lorsque deux ou plusieurs particules sont connectées d’une manière telle que, même séparées par des distances astronomiques, l’état de l’une influence instantanément l’autre. Cela défie notre intuition et remet en question certaines notions de la physique classique, comme celle de la causalité.
En termes simples, imaginez deux particules qui partagent un lien invisible. Peu importe la distance qui les sépare, toute modification de l’état de l’une affectera immédiatement l’autre, comme si elles formaient une seule entité, même à des années-lumière l’une de l’autre. Ce phénomène est largement étudié dans le domaine de la mécanique quantique, mais il est généralement observé à des niveaux d’énergie relativement bas, dans des expériences sur des particules plus légères comme les électrons, ce qui nous ramène à cette nouvelle percée.
Des particules élémentaires hors normes
Au cœur de cette découverte se trouvent les quarks top, des particules fondamentales qui jouent un rôle clé dans la structure de la matière. Ces derniers sont en effet les éléments constitutifs des protons et des neutrons, qui eux-mêmes forment le noyau des atomes.
Cependant, les quarks top sont uniques à plus d’un titre. Ce sont les particules élémentaires les plus lourdes connues, avec une masse comparable à celle d’une molécule de caféine (environ 172,5 GeV/c²). Leur poids est si conséquent qu’il en fait des objets particulièrement difficiles à étudier dans les conditions habituelles. En effet, cette grande masse signifie qu’ils nécessitent une énorme quantité d’énergie pour être produits dans les accélérateurs de particules comme le LHC. Concrètement, plus la particule est lourde, plus il est difficile de la créer et de la détecter.
Autre particularité des quarks top : ils sont extrêmement instables. Une fois créés, ils se désintègrent en une fraction infinitésimale de seconde, environ 0,0000000000000000000000005 seconde, soit un intervalle incroyablement court, même à l’échelle subatomique.
La désintégration ultra-rapide du quark top, bien qu’elle rende son observation directe difficile, offre cependant une opportunité précieuse pour les physiciens. Lorsqu’un quark top se désintègre, il donne en effet naissance à d’autres particules comme des quarks, des leptons et des bosons. Ces produits de désintégration permettent aux chercheurs de mieux comprendre les interactions fondamentales entre les particules élémentaires.
Une expérience pionnière au LHC
Les résultats de ces nouveaux travaux ont été obtenus grâce à deux des plus grands détecteurs du LHC : ATLAS et Compact Muon Solenoid (CMS). Ces détecteurs permettent de capter les produits des collisions de protons qui sont accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. En entrant en collision à des énergies extrêmes, ces protons se brisent en un flot de particules subatomiques, parmi lesquelles figurent les fameux quarks top.
Ce qui rend cette découverte particulièrement intéressante, c’est que les chercheurs ont observé pour la première fois une intrication quantique entre les quarks top à ces niveaux d’énergie colossaux.
Dans le détail, lors des collisions de protons à des énergies extrêmement élevées, des quarks top et anti-top sont produits par paires. Ces paires de quarks top se sont alors intriquées dès leur formation. Cela signifie que leurs propriétés, comme leur spin, sont restées liées, peu importe la distance qui les séparait.
Cette intrication aurait été détectée avec une certitude statistique supérieure à cinq écarts types, ce qui signifie que les chercheurs peuvent affirmer avec confiance que ce phénomène est réel et non dû au hasard.
« Bien que la physique des particules soit profondément ancrée dans la mécanique quantique, l’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 tout à fait remarquable », a déclaré Andreas Hoecker, porte-parole de l’expérience ATLAS.
Pourquoi est-ce important ?
Cette découverte n’est pas seulement une prouesse technique : elle a des implications profondes pour la physique des particules. En effet, l’intrication à ces niveaux d’énergie offre une nouvelle fenêtre pour tester le modèle standard, la théorie qui décrit les interactions entre les particules élémentaires et les forces fondamentales. Ce modèle a été largement validé par des décennies d’expériences, mais certaines observations récentes, comme cette intrication à haute énergie, pourraient suggérer que des phénomènes au-delà du modèle standard existent.
Cette étude pourrait également offrir des indices sur des phénomènes exotiques comme la matière noire ou la gravité quantique qui échappent encore à notre compréhension actuelle. L’intrication quantique des quarks top, observée à des énergies sans précédent, pourrait ainsi révéler des lois de la physique qui sont encore inaccessibles aux instruments et aux théories actuels.
