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    Record : une intrication de 219 ions

    pour l'ordinateur quantique !

     

     

    En attendant de résoudre un jour, peut-être, le problème de la décohérence, les physiciens augmentent toujours plus le nombre de qubits intriqués. En effet, là est le second frein à la réalisation d'ordinateurs ou de calculateurs quantiques performants. Record en date pour des ions : 219.

     
     

    Les ions de béryllium, rendus visibles par fluorescence sur cette image (il est possible d'en distinguer 91 à gauche et 124 à droite), forment un réseau cristallin de maille triangulaire. Ils constituent un simulateur quantique et ouvrent une nouvelle voie pour obtenir peut-être un jour au moins un calculateur quantique. © NIST

    Les ions de béryllium, rendus visibles par fluorescence sur cette image (il est possible d'en distinguer 91 à gauche et 124 à droite), forment un réseau cristallin de maille triangulaire. Ils constituent un simulateur quantique et ouvrent une nouvelle voie pour obtenir peut-être un jour au moins un calculateur quantique. © NIST

     
     

    Quand il explorait le concept d’ordinateur quantique au début des années 1980, Richard Feynman pensait à une machine de Turing universelle, capable d'exécuter n’importe quel algorithme, mais aussi à un simulateur quantique. Tout comme un assemblage de composants électroniques simples peut simuler le comportement d’un système mécanique oscillant compliqué (une voiture par exemple), le comportement quantique de certains systèmes permet également de reproduire celui d’un autre, qui serait beaucoup plus compliqué à simuler avec un ordinateur classique. Cela permet ainsi, comme dans une soufflerie de test pour des maquettes d'avions, d'explorer un situation physique décrite par des équations que l'on ne sait pas correctement résoudre.

     

    Par exemple, le comportement des électrons dans les supraconducteurs exotiques à hautes températures critiques est mal compris. C’est probablement la raison principale qui nous empêche de développer des supraconducteurs à température ambiante, lesquels changeraient radicalement notre technologie. Cela pourrait donc changer avec des simulateurs ou des ordinateurs quantiques.

     

     

    Deux problèmes à résoudre pour réaliser un

    ordinateur quantique

     

    Pour être performantes, ces machines imposent un grand nombre de qubits, les équivalents quantiques des bits d’informations des ordinateurs classiques. Un des supports les plus évidents d’un qubit est l’état de spin d’une particule ou d’un noyau. Un électron, par exemple, possède un moment cinétique propre, qui est un peu l’équivalent de celui d’une toupie pouvant tourner dans deux sens. En termes quantiques, on parle d’un spin dans un état haut ou bas, équivalent à un état 0 ou 1. Grâce aux propriétés foncièrement quantiques des particules (l'intrication et la superposition des états), ces qubits permettent d'effectuer des calculs ou de simuler le comportement d’autres systèmes quantiques.

     

    Cependant, lorsque le nombre de particules, donc de qubits, est grand, un phénomène physique entre en jeu : la décohérence. Elle empêche de maintenir longtemps l’intrication et la superposition quantiques. Une révolution technologique basée sur les qubits quantiques doit donc résoudre deux problèmes : obtenir un grand nombre de qubits intriqués et maintenir cette intrication pendant assez longtemps.

     


    Une vidéo expliquant quelques-unes des caractéristiques des travaux des physiciens du NIST (National Institute of Standards and Technology) concernant un simulateur quantique avec des ions piégés il y a quelques années (ces ions n'étaient pas encore intriqués). Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © usnistgov, YouTube

     

    Une bonne nouvelle pour l'informatique quantique

     

    Plusieurs voies sont explorées dans ces buts et les laboratoires battent régulièrement des records, soit du nombre de particules intriquées soit du temps de résistance à la décohérence quantique. Les physiciens sont ainsi parvenus à intriquer environ 100.000 photons et 3.000 atomes neutres. Cependant, les pièges à ions sont considérés comme de bien meilleurs candidats car semblant plus robustes pour résister à la décohérence et plus faciles à réaliser en grand nombre sur des puces pour permettre la réalisation d’ordinateurs et de simulateurs quantiques performants. Or, justement, une équipe de chercheurs menés par Justin Bohnet du NIST (National Institute of Standards and Technology) à Boulder, dans le Colorado (États-Unis), a annoncé dans un publication disponible sur arXiv l'intrication de 219 ions dans un piège de Penning.

     

    Ce travail peut être considéré comme l'aboutissement d'une autre performance réalisée par les chercheurs du NIST il y a quelques années. Ils avaient alors obtenu un simulateur quantique très similaire avec les mêmes ions de bérylium mais les qubits qu'ils portaient n'étaient pas encore intriqués. Un record avait tout de même été atteint puisque le simulateur contenait 350 de ces ions, comme Futura-Sciences l'avait expliqué en détail dans un précédent article en 2012.

     

    Aujourd’hui, tout comme en 2012, les ions béryllium sont piégés à l’aide de champs électriques et magnétiques. Ainsi, ils forment naturellement, selon les forces qu’ils exercent les uns sur les autres, un réseau cristallin en deux dimensions. Une fois cela fait, les ions sont refroidis presque au zéro absolu à l'aide de faisceaux lasers. D’autres faisceaux sont alors utilisés pour intriquer les ions au niveau de leur spin.

     

    Les champs du piège de Penning permettent de contrôler l’état du réseau cristallin d’ions, de sorte qu’il peut servir à simuler les interactions magnétiques d’ions intriqués dans un métal, ce qui pourrait conduire à des surprises en physique du solide. Surtout, les chercheurs sont en mesure de contrôler l’état de spin, donc les qubits, de chacun des 219 ions ouvrant la porte à des calculs dans le domaine des ordinateurs quantiques.

     

    À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


    Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéosQuestions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine.

    Physique:  Record : une intrication de 219 ions pour l'ordinateur quantique ! + 2 vidéos

     

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    Des quasi-cristaux naîtraient dans

    des collisions d'astéroïdes

     

     

    Considérés il y a encore quarante ans comme des impossibilités mathématiques, les quasi-cristaux font l’objet de l’attention des physiciens du solide depuis le milieu des années 80. Ils ont même conduit à un prix Nobel. On n'en connaît que deux exemples naturels dans une météorite. Une équipe de chercheurs vient de montrer qu'ils seraient le produit de collisions entre astéroïdes.

     
     

    Une vue d'artiste montrant la collision violente entre deux astéroïdes. De nombreux débris sont produits, dont certains retomberont un jour sur Terre avec, peut-être, des quasi-cristaux. © Nasa

    Une vue d'artiste montrant la collision violente entre deux astéroïdes. De nombreux débris sont produits, dont certains retomberont un jour sur Terre avec, peut-être, des quasi-cristaux. © Nasa

     
     

    Les cristaux fascinent l’Homme depuis longtemps et il suffit de voir des quartz en gerbe pour le comprendre. Le génial dessinateur Moebius a particulièrement fait écho de cet attrait. Derrière cette fascination, il y a la notion de symétrie mathématique et de réseaux cristallins à partir d’atomes en physique.

     

    La théorie des réseaux cristallins est ancienne puisqu’elle remonte au XIXe siècle, avec Bravais. Les mathématiciens ne tardèrent pas à s’y intéresser de plus près et à mobiliser la discipline alors toute récente de la théorie des groupes. C’est ainsi que Arthur Moritz Schönflies fut à l’origine d’un classement des cristaux et réseaux cristallins possibles constitués d'atomes à l’aide des groupes ponctuels de symétrie dans l’espace.

     

    Des travaux des mathématiciens, il résultait qu’un pavage périodique dans le plan avec des objets possédant une symétrie d’ordre 5, comme par exemple un pentagone, était une impossibilité. Par ordre de symétrie on entend en l’occurrence un nombre de rotations nécessaire pour amener un objet à l’identique. Ainsi, un objet avec une symétrie d’ordre 2 autour d’un axe est invariant à la suite de deux rotations de 180° autour de cet axe alors qu’un objet avec une symétrie de rotation d’ordre 4 nécessitera quatre rotations de 90°. Jusqu’au milieu des années 70, on pensait aussi que tout pavage du plan devait se réduire à un pavage périodique. Ce fut donc une surprise quand le mathématicien Roger Penrose, bien connu pour ses travaux en relativité générale, trouva un contre-exemple.

     

    Le pavage de Penrose du plan. © Ianiv Schweber
    Le pavage de Penrose du plan. © Ianiv Schweber

     

     

    Un jeu mathématique devenu une réalité physique

     

    À l’origine, il ne s’agissait que de mathématiques récréatives, du genre de celles qu’affectionnait Martin Gardner, mais ce qui est aujourd’hui connu comme le pavage du plan par des tuiles de Penrose permettait effectivement de réaliser un pavage non pas périodique mais quasi périodique du plan avec des structures possédant une symétrie d’ordre 5.

     

    Au début des années 80, les travaux théoriques du physicien et cosmologiste Paul Steinhardt ainsi que les expériences menées par le prix Nobel de chimie israélien Daniel Shechtman ont montré que les idées de Penrose avaient bien une contrepartie dans le monde réel, ce qui ne saurait surprendre le mathématicien platonicien. Il était bel et bien possible de fabriquer en laboratoire des matériaux possédant l’équivalent de ces pavages et donc, selon l’expression introduite par Steinhardt, des quasi-cristaux.

     

    Une centaine d’espèces environ ont été synthétisées par les chimistes et physiciens du solidemais, de l’avis général, on avait peu de chance d’en observer dans le monde naturel et aucun exemple n’était connu. L’explication donnée était que le processus de synthèse conduisait à des formes dites « métastables » en physique. Un arrangement des atomes constituant ces quasi-cristaux existait. Il faisait que le système se modifiait lentement pour atteindre un niveau d’énergie plus bas, à la façon d’une bille roulant sur une pente douce pour atteindre le fond d’une cuvette, où la structure quasi cristalline n’existait plus.

     

    Pourtant, à la surprise générale, en 2009, le minéralogiste Luca Bindi, du muséum d’Histoire naturelle de Florence (Italie), et Paul Steinhardt ont annoncé la découverte d’un quasi-cristal de 100 micromètres dans un fragment de roche qui s’est révélé ensuite être une météorite. Trouvée dans les montagnes Koryak, en Russie, elle faisait partie d’une chondrite aussi ancienne que le Système solaire et qui fut nommée Khatyrka.

     

    Un échantillon de la météorite de Khatyrka trouvé en Russie où un puis deux quasicristaux ont été trouvés.
    Un échantillon de la météorite Khatyrka. Un, puis deux quasi-cristaux ont été trouvés. © Paul Steinhardt

     

    Des collisions d'astéroïdes reproduites en laboratoire

     

    À l’époque, personne ne comprenait par quel processus astrophysique un quasi-cristal stable avait ainsi pu être synthétisé par la nature. Une publication récente dans le journal Pnas exposant les travaux d’une équipe menée par Paul Asimow, professeur de géologie et de géochimie au célèbre Caltech (où enseignait Richard Feynman), vient d’apporter une réponse plausible.

     

    L’étude de la météorite Khatyrka avait démontré qu’elle avait été parcourue par une onde de choc violente. Elle devait donc provenir de la collision entre deux petits corps célestes, probablement dans la ceinture d’astéroïdes. Asimow et ses collègues en avait déduit que les cycles rapides de compression-décompression et chauffage-refroidissement accompagnant les matériaux dans le phénomène avaient peut-être fait naître des quasi-cristaux stables.

     

    Pour en avoir le cœur net, les chercheurs ont prélevé des échantillons de la météorite Khatyrka pour reproduire en laboratoire la collision de deux astéroïdes, dont l’un allait donner le corps trouvé sur Terre. Pour cela, ils ont découpé des lames minces qu’ils ont bombardées avec un projectile se déplaçant à 1 km/s. Celui-ci a été tiré avec l’équivalent du canon de la Nasa (Ames Vertical Gun Range), utilisé pour simuler la formation des cratères lunaires avec des impacts de météorites.

     

    L’étude des lames après les expériences ont montré que de nouveaux quasi-cristaux s’étaient bien formés, peut-être du fait aussi que la roche contenait un alliage de cuivre et d’aluminium jamais rencontré jusqu’ici. Il est donc probable qu'au total, les deux cristaux trouvés dans la météorite Khatyrka depuis 2009 ont bien été produits par le choc de deux astéroïdes.

     

    À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


    Les atomes sont présents tout autour de nous. Ces infimes fragments de matière forment les planètes, les objets, les êtres vivants, etc. Cependant, ils n’ont pas toujours existé sous cette forme. À l'occasion des 70 ans du CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), Futura-Sciences a interviewé Roland Lehoucq, astrophysicien, afin qu’il nous parle de la naissance des atomes au sein des étoiles.

     

     

     

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    LHC : de nouveaux records et, peut-être,

    une future découverte

     

    L'année dernière, un nouveau boson avait pointé le bout de son nez dans les données collectées par le LHC (le Grand collisionneur de hadrons). Alors, existe-t-il réellement ? Le suspense est à son comble et la chasse se poursuit avec des taux de collisions record.

     

     
     


    À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern.

     
     

    Avant d’entrer dans le LHC (le Grand collisionneur de hadrons, ou Large Hadron Collider, en anglais), les protons destinés à y atteindre des énergies de 13 TeV subissent toute une série de pré-accélérations avec différentes machines.

     

    L’une d’elle est le Synchrotron à protons (ou PS, l’acronyme de Proton Synchrotron, en anglais). Il a été mis en service en 1959, si bien qu’en 2009 on a fêté son cinquantenaire en présence de nombreux prix Nobel, comme Futura-Sciences vous l’avait alors relaté. Il y a un peu plus d’une semaine, il est tombé en panne, ce qui a conduit le Cern à interrompre le second run pendant quelques jours.

     

    Cela n’aura toutefois pas d’incidence sur la chasse au nouveau boson. Celui-ci semble en effet pointer le bout de son nez dans les détecteurs Atlas et CMS. Sa masse serait d’environ 750 fois celle d’un proton, donc de 750 GeV, comme disent les physiciens dans leur jargon. Cette chasse est, bien sûr, effectuée en tenant compte des principes qui gouvernent le monde quantique.

     

    De gauche à droite, Rolf-Dieter Heuer (l'ancien directeur du Cern), Leon Lederman, Lyndon Evans, Jerome Friedman, Burton Richter, Gerardus ‘t Hooft, Sheldon Glashow, Martinus Veltman, David Gross. Ils étaients réunis en décembre 2009 pour les 50 du PS, le synchrotron à protons du Cern.
    De gauche à droite : Rolf-Dieter Heuer (l'ancien directeur du Cern), Leon Lederman, Lyndon Evans, Jerome Friedman, Burton Richter, Gerardus ‘t Hooft, Sheldon Glashow, Martinus Veltman et David Gross. Ils étaient réunis en décembre 2009 pour fêter les cinquante ans du Synchrotron à protons (PS) du Cern. © Jean-Claude Gadmer, Cern

     

    Des collisions de protons pendant un temps record

     

    Avant l’incident lié au Synchrotron à protons, les ingénieurs et physiciens en charge du LHC au Cern avaient réussi à produire le plus long temps de collisions avec des faisceaux de protons dans le géant de 27 kilomètres de circonférence, à savoir 35,5 heures. Ce record est très encourageant car il permet d’envisager le futur du LHC avec confiance. En effet, les travaux d’amélioration qui lui ont permis d’atteindre des énergies de 13 TeV et d’augmenter la luminosité des faisceaux ont visiblement porté leurs fruits : la machine semble fonctionner sans réels problèmes.

     

    La luminosité, c'est-à-dire, en gros, l’équivalent de la quantité de grains de lumière traversant par seconde une surface donnée, mais ici avec des protons, est en train d’atteindre des records. Les faisceaux contiennent maintenant 2.040 « bunches », c'est-à-dire des paquets de particules, et ceux-ci contiennent en moyenne 100 milliards de protons. La fréquence des collisions (et donc le nombre de collisions par seconde), en devenant de plus en plus élevée, permet d’espérer la découverte rapide des processus de création de nouvelles particules rares. Si cette fréquence n’est pas suffisamment importante, cela pourrait malheureusement nécessiter des décennies de fonctionnement du LHC, voire bien plus.

     

    Toujours est-il qu’actuellement ce que les chercheurs appellent « la luminosité intégrée », c'est-à-dire la luminosité cumulée sur une période donnée, a dépassé cette année 1 femtobarn inverse en début de semaine, soit un quart de la luminosité enregistrée pendant toute l’année 2015.

     

    Une vue du tunnel de 27 kilomètres de circonférence où le LHC (le Grand collisionneur de hadrons) fait circuler des protons presque à la vitesse de la lumière. Certains des phénomènes ayant eu lieu pendant le Big Bang y sont reproduits lors de collisions. © Cern

    Une vue du tunnel de 27 kilomètres de circonférence où le LHC (le Grand collisionneur de hadrons) fait circuler des protons presque à la vitesse de la lumière. Certains des phénomènes ayant eu lieu pendant le Big Bang y sont reproduits lors de collisions. © Cern

     

    Physique:  LHC : de nouveaux records et, peut-être, une future découverte + vidéo

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    Un chat de Schrödinger à la fois mort

    et vivant dans deux boîtes

     

    Le chat de Schrödinger sensé être à la fois mort et vivant semble déjà paradoxal mais des expériences montrent qu’il est peut aussi être présent dans deux endroits à la fois. Elles ouvrent de nouvelles perspectives pour les calculs quantiques.

     

     
     


    Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée souvent évoquée en physique quantique. Ce paradoxe célèbre décrit la combinaison linéaire d’états appliquée à un sujet assez particulier : un chat. Futura-Sciences a rencontré Claude Aslangul, physicien, pour qu’il nous parle plus en détail de cette idée.

     
     

    Lorsque Einstein et Schrödinger ont mis en évidence le phénomène d’intrication quantique en 1935, le premier avec l’effet EPR et le second avec le fameux paradoxe du chat dit de Schrödinger, ils étaient sans aucun doute à mille lieues d’imaginer qu’il donnerait le jour au riche domaine de l’information quantique. Le concept le plus fascinant qui en a émergé est sans aucun doute celui d'ordinateur quantique. Malheureusement, si celui-ci peut en théorie surpasser considérablement un ordinateur classique dans la résolution de certains problèmes, sa concrétisation se heurte au redoutable phénomène de la décohérence.

     

    Rappelons que selon le paradoxe du chat de Schrödinger, l’application des règles de la mécanique quantique par un observateur extérieur à une boîte contenant un chat et un dispositif capable de le tuer, déclenché en cas de désintégration d’un atome radioactif, semble conduire à une situation violemment contre-intuitive. Tant que l’observateur n’ouvre pas la boîte, le chat est pour lui dans un état dit de superposition quantique où il est à la fois mort et vivant. La raison en est que chat et l’atome radioactif y sont intriqués alors que l’atome lui-même est dans une superposition de deux états, celui où il s’est désintégré et celui où ce n’est pas le cas. L’intrication transmet alors au chat cet état de superposition.

     

    L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation.
    L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation. © Cern

     

    Une nouvelle voie vers des calculs quantiques

    fiables et puissants

     

    La solution de ce paradoxe repose sur le fait que l’atome et le chat ne sont pas isolés de l’influence physique de l’environnement, qui les perturbe. De sorte que rapidement le système bascule dans un seul état. On parle de phénomène de décohérence et il a été mis en évidence expérimentalement pendant les années 1990 par le prix Nobel de physique Serge Haroche et ses collègues. Les perturbations de l’environnement introduisent également des erreurs dans les calculs quantiques que pourraient faire des ordinateurs et même empêcher leur exécution. C’est pourquoi les chercheurs tentent de résoudre ce problème avec des systèmes physiques plus résistants à la décohérence et où des algorithmes de corrections d’erreurs, cousins de ceux employés avec les ordinateurs classiques, permettraient également d’en limiter les effets.

     

    Une équipe internationale de chercheurs vient d’ailleurs d’annoncer un résultat intéressant à cet égard comme ils l’expliquent dans un article disponible sur arXiv. Ils sont parvenus à créer l’équivalent d’un chat de Schrödinger qui serait également dans une superposition quantique de deux positions dans deux boîtes quantiquement intriquées.

     

    Les deux boîtes sont des cavités en aluminium dans lesquelles sont piégés un certain nombre de photons constituant une onde électromagnétique dans le domaine des micro-ondes. On peut la décrire dans chaque boîte par des oscillations d’un champ électrique car on est presque dans le cas où la description classique de la lumière suffit pour rendre compte de l’état de ces photons. Ces oscillations peuvent être vues comme celles d’un pendule légèrement éloigné de l’équilibre. Selon qu’il est dans une position à gauche ou à droite de cet équilibre, on peut introduire une description quantique avec deux états, analogues de ceux d’un chat mort ou vivant.

     

    Dans l’expérience réalisée, le chat est dans le même état dans les deux boîtes à cause de l’intrication. Mais ces deux états sont en superposition quantique, ce qui donne bien un chat de Schrödinger à la fois mort et vivant et dans deux endroits à la fois.

     

    Son intérêt est, comme on l’a annoncé précédemment, d’ouvrir la porte à des calculs quantiques plus résistants à la décohérence et où la correction des erreurs par des codes quantiques est plus facile et plus efficace. Selon les chercheurs, cela devrait aussi être utile dans le domaine de la métrologie et des réseaux de communication quantiques.

     

    Une métaphore du chat de Schrödinger dans un état de superposition quantique où il est à la fois mort et vivant. © Mopic, Shutterstock

    Une métaphore du chat de Schrödinger dans un état de superposition quantique où il est à la fois mort et vivant. © Mopic, Shutterstock

     

    Physique:  Un chat de Schrödinger à la fois mort et vivant dans deux boîtes + vidéo

     

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    Des neutrons pour chercher des univers

    parallèles

     

    Selon certains physiciens, un univers parallèle autoriserait certaines particules à sortir de notre univers pour y rentrer à nouveau. Des neutrons pourraient ainsi jouer les passe-murailles. L’idée a été testée avec le réacteur nucléaire de l’institut Laue Langevin à Grenoble.

     

     

    La lumière bleue que l’on voit sur cette image provient du rayonnement Cherenkov produit dans l’eau par la radioactivité du réacteur de l’Institut Laue Langevin à Grenoble. Ce réacteur produit aussi des neutrons utilisés pour toutes sortes d’expériences. © Institut Laue Langevin

    La lumière bleue que l’on voit sur cette image provient du rayonnement Cherenkov produit dans l’eau par la radioactivité du réacteur de l’Institut Laue Langevin à Grenoble. Ce réacteur produit aussi des neutrons utilisés pour toutes sortes d’expériences. © Institut Laue Langevin

     
     

    Quand la première révolution de la théorie des supercordes est arrivée au milieu des années 1980 grâce à Michael Green et John Schwarz, un fait curieux a intrigué certains physiciens. La version la plus prometteuse de la théorie reposait sur le produit de deux groupes de symétries identiques, à savoir E8 par E8. Chacun de ces groupes de Lie contient comme sous-groupes ceux du modèle standard, ce qui a permis de spéculer sur l’existence d’une sorte de second monde miroir du nôtre qui ne l’influencerait qu’au niveau de la gravité.

     

    En effet, aucune des particules des deux mondes ne semblait pouvoir passer de l’un à l’autre, sauf, peut-être, les gravitons, ce qui donnait une solution élégante au problème de la masse manquante. La matière noire que l’on commençait à considérer sérieusement faisait peut-être partie de cet autre univers parallèle.

     


    Film de présentation générale de l'institut Laue-Langevin, leader mondial en sciences et techniques neutroniques, situé à Grenoble. © ILL Laue Langevin

     

    La seconde théorie des cordes, apparue au milieu des années 1990, a considérablement stimulé les théoriciens en leur permettant d’élaborer des scénarios compliqués et variés de mondes parallèles à l’aide des dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des cordes ou de la théorie de la supergravité de Kaluza-Klein. L’idée que notre univers, et d’autres, était l’équivalent d’une feuille flottant dans l’espace a permis d’imager le concept d’univers membrane en 3D plongé dans un espace en 4 voire 10 dimensions.

     

    Là aussi, des mécanismes décrits par la théorie des cordes pouvaient expliquer pourquoi les particules du modèle standard semblaient confiner à notre univers-membrane, un peu à la façon dont les quarks et les gluons sont confinés dans les hadrons en théorie quantique des champs. Une autre approche d’unification de la physique, la géométrie non commutative d’Alain Connes postule, elle aussi, pour expliquer l’existence du champ de Brout-Englert-Higgs, une sorte de deuxième feuillet d’univers dédoublant le nôtre.

     

    Sur ce schéma, notre univers est représenté par une membrane (our brane) plongée dans un espace plus grand où se trouver un autre univers ressemblant au notre mais caché (hidden brane). Un neutron pourrait parfois voyager dans cet espace par effet tunnel quantique puis se retrouver sur l'autre membrane.
    Sur ce schéma, notre univers est représenté par une membrane (our brane) plongée dans un espace plus grand où se trouve un autre univers ressemblant au nôtre mais caché (hidden brane). Un neutron pourrait parfois voyager dans cet espace par effet tunnel quantique puis se retrouver sur l'autre membrane. © Michael Sarrazin, Guillaume Pignol, Jacob Lamblin, Fabrice Petit, Guy Terwagne, Valery V. Nesvizhevsky

     

    Des neutrons qui sautent d’un univers à un autre

     

    Mais comment tester de telles spéculations débridées des théoriciens ? On a espéré à la fin des années 1990 que plusieurs de ces théories incluant des dimensions spatiales supplémentaires modifiaient nos idées sur la fameuse masse de Planck, le niveau d’énergie où la gravitationquantique et l’unification de toutes les forces se manifestent le plus clairement. On pouvait peut-être sonder ces théories à des énergies accessibles au LHC alors que l’on pensait avant qu’un collisionneur de la taille de la Voie lactée était nécessaire. Il semble malheureusement qu’il n’en soit pas le cas. Bien que rien ne soit certain, n’existerait-il pas malgré tout des phénomènes à basses énergies que l’on pourrait observer et qui donneraient du poids à l’hypothèse que notre univers soit une sorte de membrane ?

     

    Plusieurs chercheurs le pensent, particulièrement en France et en Belgique. C’est ainsi qu’au début des années 2010, Michaël Sarrazin, Fabrice Petit et leurs collègues ont commencé à envisager que par effet tunnel quantique, certaines particules du modèle standard, en l’occurrence des neutrons, pouvaient parfois sauter d’une membrane à une autre si leur distance n’est pas trop importante et si notre univers est en fait formé de deux membranes proches dans un espace plus grand baptisé le «bulk ». On trouve une hypothèse similaire dans le fameux modèle de Randall-Sundrum à la base du scénario d'Interstellar.

     

    La source de neutron de l'ILL est isolée par un mur de béton (concrete wall). Mais un flux de neutrons partis dans un univers parallèle (hidden neutron flux) où il voyage temporairement pourrait émerger à nouveau dans un détecteur bien protégé d'un flux de neutrons extérieur.
    La source de neutron de l'ILL est isolée par un mur de béton (Concrete wall). Mais un flux de neutrons partis dans un univers parallèle (Hidden neutron flux) où il voyage temporairement pourrait émerger à nouveau dans un détecteur bien protégé d'un flux de neutrons extérieur. © Michael Sarrazin, Guillaume Pignol, Jacob Lamblin, Fabrice Petit, Guy Terwagne, Valery V. Nesvizhevsky

     

    Pour l’instant, RAS...

     

    Ces sauts seraient rares ce qui expliquerait pourquoi ils restent inobservables dans la vie de tous les jours et au laboratoire. Mais selon les chercheurs, ils pourraient malgré tout être mis en évidence de la façon suivante. On commencerait par utiliser une source de neutrons comme celle disponible à Grenoble à l’institut Laue-Langevin. Un flux de ces neutrons serait enfermé dans un bloc de béton de sorte qu’un détecteur placé à l’extérieur, convenablement calibré pour ne pas tenir compte du flux de neutrons naturel, ne devrait pas pouvoir détecter ceux produits par la source intense à proximité.

     

    Mais si les sauts quantiques entre univers-membrane sont réels, certains neutrons de la source pourraient sortir de notre univers, voyager dans le second puis revenir dans le nôtre de sorte que le détecteur devrait voir un flux anormal de neutrons. L’intensité de ce flux étant reliée à la distance séparant les deux membranes, on aurait de cette façon un moyen de la mesurer.

     

    Les chercheurs ont réalisé cette expérience et ils viennent d’exposer les résultats obtenus dans un article que l’on peut trouver sur arXiv. Pour le moment ils sont négatifs.

     

    Physique:  Des neutrons pour chercher des univers parallèles +  vidéo

     

     

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