Le monde, les particules, la lumière, l'énergie, l'espace et le temps ne sont rien d'autre que la manifestation d'un seul type d'entité : les champs quantiques covariants.

Le champ quantique est un espace de potentialités infinies, où tout est interconnecté. Les expériences astrales, où l'on se sent connecté à tout l'univers, pourraient être une manifestation de cette interconnexion quantique.

Quel mortel n’avait un jour soupçonné, sous la fine couche de poésie et de beauté, sous la luxuriante nature et le foisonnement de la vie, sous les plaisirs des sens, derrière le joli ciel bleu d’une après-midi d’été, non pas la mort, mais bien pire ?

Des physiciens mesurent pour la première fois la géométrie quantique des électrons

Les électrons occupent une place centrale dans notre compréhension de l’univers ainsi qu’au sein des technologies modernes. Pourtant, leur comportement et leurs propriétés à l’échelle quantique restent en grande partie mystérieux. Récemment, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a réalisé une avancée majeure en mesurant pour la première fois la géométrie quantique des électrons dans un matériau solide. Mais de quoi parle-t-on précisément ? Et quelles sont les implications d’une telle percée ?

Le monde étrange des électrons

Dans l’univers quantique, les électrons ne se comportent pas comme des objets que nous connaissons dans notre vie quotidienne, mais peuvent être vus à la fois comme des particules et des ondes. Cette double nature est décrite par un outil mathématique appelé la fonction d’onde qui nous donne des informations sur l’électron : sa position, sa vitesse, et même sa forme.

Cela étant dit, imaginez maintenant une surface lisse et régulière, comme une balle de tennis : c’est une bonne image pour illustrer une forme simple d’électron. Maintenant, visualisez un ruban de Möbius, cette forme fascinante explorée par l’artiste MC Escher où le ruban semble se tordre sur lui-même de manière infinie, un peu comme un chemin qui ne revient jamais au point de départ. Cette dernière image représente les formes plus complexes que peuvent prendre certains électrons dans des matériaux spéciaux appelés matériaux quantiques.

Cependant, jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient pas mesurer directement cette géométrie quantique des électrons. Ils pouvaient seulement théoriser sur sa nature. Or, cette géométrie joue un rôle clé dans des propriétés essentielles, comme la conductivité ou le magnétisme, qui rendent certains matériaux particulièrement intéressants pour des applications de pointe.

Une quête scientifique de longue haleine

La difficulté à mesurer la géométrie quantique vient de plusieurs facteurs. Les outils traditionnels de la physique des matériaux, comme la spectroscopie ou la diffraction, permettent d’étudier l’énergie et la vitesse des électrons, mais pas leur forme dans l’espace. En outre, les matériaux étudiés, souvent des cristaux complexes, ont une structure qui complique encore davantage l’observation directe de leurs propriétés quantiques.

Malgré ces défis, l’intérêt pour la géométrie quantique n’a cessé de croître. Avec l’essor de l’informatique quantique et des dispositifs électroniques avancés, comprendre ces propriétés devient crucial. Mesurer la forme des électrons est comme découvrir une nouvelle dimension de leur comportement. Cela pourrait révolutionner la manière dont nous concevons et utilisons les matériaux dans des technologies futures.

Une méthode innovante pour une découverte majeure

Pour relever ce défi, l’équipe du MIT a utilisé une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. En termes simples, cette méthode consiste à bombarder un matériau avec de la lumière pour en faire sortir des électrons, puis à analyser la manière dont ils réagissent. Cela donne des informations précises sur leur énergie et leur mouvement.

Cependant, pour mesurer la géométrie quantique, il a fallu adapter la technique ARPES. Les chercheurs ont travaillé sur un matériau appelé métal kagome qui est connu pour ses propriétés quantiques exotiques. Ce matériau tire son nom de sa structure cristalline en forme de réseau de triangles semblable à un motif traditionnel japonais. Grâce à des modifications spécifiques de l’ARPES, les chercheurs ont pu non seulement observer la trajectoire des électrons, mais aussi leur forme ondulatoire unique.

Cette avancée n’aurait pas été possible sans une collaboration étroite entre théoriciens et expérimentateurs. Riccardo Comin, physicien au MIT, a même dû mener lui-même certaines expériences en Italie pendant la pandémie en raison des restrictions de déplacement de son équipe. Cette anecdote illustre à quel point la science repose parfois sur des efforts individuels dans des circonstances exceptionnelles.(Photo dessin : schéma de la configuration CD-ARPES à spin résolu.)

Les implications et applications

Cette découverte dépasse le simple cadre académique, car comprendre la géométrie des électrons ouvre des perspectives prometteuses dans plusieurs domaines technologiques. Par exemple, dans l’informatique quantique, une meilleure connaissance de la géométrie quantique pourrait permettre de concevoir des qubits plus stables et efficaces, un élément clé pour le développement de processeurs quantiques. Dans l’électronique avancée, cela pourrait conduire à des matériaux plus performants capables de transporter de l’électricité sans perte ou de fonctionner comme des capteurs ultra-sensibles.

En outre, cette méthode de mesure peut être appliquée à une grande variété de matériaux quantiques, pas seulement au métal kagome. Cela signifie que les chercheurs disposent désormais d’un outil puissant pour explorer un large éventail de matériaux aux propriétés encore inconnues. Ces travaux pourraient transformer notre manière d’aborder la conception de nouveaux dispositifs.

Des photons en 37 dimensions montrent l’étrangeté de la physique quantique

Des chercheurs chinois ont repoussé les limites de la mécanique quantique avec une expérience fascinante, dans laquelle ils ont notamment analysé des photons dans un espace à 37 dimensions.

Une équipe de physiciens issus de plusieurs grandes institutions chinoises a récemment conduit une expérience étonnante : pour montrer que la mécanique quantique est encore plus éloignée de la physique conventionnelle qu’on ne le pensait jusqu’à présent, ils ont mesuré une impulsion lumineuse… dans 37 dimensions différentes.

Si cette formulation vous semble déroutante, c’est tout à fait normal. Après tout, on considère généralement que le monde autour de nous existe dans quatre dimensions distinctes : trois dans l’espace, et une dernière représentée par le temps.

Ce modèle standard de l’espace-temps, formalisé par l’illustre Albert Einstein dans sa théorie de la relativité, est à la fois très solide et relativement intuitif ; il permet d’expliquer de très nombreux phénomènes tout en restant cohérent avec ce que l’on observe dans notre vie quotidienne.

Le principe de localité, un pilier de la physique

Ce cadre théorique inclut notamment ce que les physiciens appellent le principe de localité : un objet ne peut être influencé que par son environnement immédiat. Par exemple, si vous placez votre smartphone dans votre sac ou votre poche, il n’a aucune raison de ne pas y rester. S’il semble s’être volatilisé, c’est forcément que vous l’avez oublié quelque part… ou que quelqu’un vous l’a " emprunté " pendant que vous aviez le dos tourné.

Plus largement, ce principe de localité est une des principales fondations de la physique, et même de la science en général. Il est exceptionnellement utile pour décrire les chaînes d’événements qui gouvernent notre monde de la plus petite à la plus grande des échelles. Qu’il s’agisse de particules nanométriques ou de mégastructures cosmiques, le comportement de toute la matière observable semble adhérer rigoureusement à ce principe.

Le paradoxe GHZ, un énorme casse-tête quantique

… ou du moins, c’était le cas avant que les pères de la physique quantique ne viennent jouer les trouble-fêtes. Leurs travaux ont fait émerger des tas de notions extrêmement contre-intuitives. L’exemple le plus connu est sans doute celui du fameux Chat de Schrödinger, enfermé dans une boîte avec un appareillage qui a une certaine probabilité de tuer le pauvre félin à chaque instant. Intuitivement, on peut considérer que le destin de l’animal est déjà décidé avant qu’un observateur ne vérifie son état de santé. Mais selon les principes de la physique quantique, son sort ne sera pas scellé définitivement avant le moment précis où quelqu’un ouvrira cette satanée boîte.

Au-delà de cet exemple, la physique quantique regorge de concepts contre-intuitifs de ce genre. On peut citer l’intrication quantique, un phénomène à travers lequel plusieurs particules se retrouvent corrélées de telle manière que leurs états quantiques sont interdépendants, quelle que soit la distance qui les sépare.

L’intrication n’implique pas une transmission d’informations instantanée ou plus rapide que la lumière, mais elle défie notre conception classique de la localité en montrant que deux particules intriquées peuvent être " liées " entre elles à distance. Une idée particulièrement perturbante pour Einstein, à tel point que lui-même en parlait comme d’une " action effrayante à distance ".

Cette intrication est au cœur d’une autre curiosité scientifique, appelée paradoxe Greenberger-Horne-Zeilinger (ou GHZ). Il repose sur une forme particulièrement intime d’intrication quantique, " l’état GHZ ". Lorsqu’on mesure les propriétés de particules dans cet état, on a tendance à obtenir des résultats qui semblent totalement aberrants et paradoxaux du point de vue de la physique traditionnelle, car ils violent allègrement les principes de localité, de déterminisme et de causalité (la relation logique qui relie une cause à ses effets).

Un succès expérimental à 37 dimensions

C’est là qu’interviennent les chercheurs chinois mentionnés en début d’article. Dans leur expérience, ils ont tenté de prouver que ce paradoxe GHZ n’était pas seulement une expérience de pensée, et qu’il pouvait se manifester de manière concrète dans le monde réel. Par la même occasion, ils souhaitaient aussi explorer jusqu’où il était possible de pousser ces phénomènes en apparence absurdes, pour vérifier à quel point le principe de localité s’écroule dans le cadre de la physique quantique.

Pour y parvenir, ils ont commencé par placer des photons en intrication quantique en utilisant un laser. Ils ont ensuite manipulé ce cortège nanométrique à l’aide d’un processeur photonique, un appareil spécialisé dans le traitement des informations sous forme de photons (au lieu des électrons en informatique traditionnelle). Grâce à ce dispositif, ils ont pu mesurer les corrélations entre les états des particules.

À partir de là, les auteurs ont échafaudé un ensemble de relations mathématiques qui permet d’expliquer les corrélations observées entre ces photons. Or, pour pouvoir le résoudre, ils ont dû représenter les états des photons dans un espace à… 37 dimensions, bien au-delà des 4 qui sont prises en compte par le principe de localité !

Cette phrase peut facilement donner le tournis, car il est difficile de concevoir ce que ces 37 dimensions peuvent représenter. Le point crucial, c’est que dans ce contexte, toutes ces dimensions supplémentaires ne décrivent pas le temps ou un espace physique (les trois dimensions classiques de la réalité observable). À la place, ce sont des dimensions mathématiques abstraites, qui représentent différents aspects de l’état quantique d’un photon.

Ce qu’il est important de retenir, c’est que ces travaux montrent de manière particulièrement spectaculaire que le principe de localité tel qu’on le conçoit intuitivement est profondément mis à l’épreuve lorsqu’on s’aventure dans le domaine quantique.

La relativité à l’épreuve des paradoxes quantiques

Cela signifie-t-il qu’Einstein s’est trompé sur toute la ligne ? Pas si vite. Pour l’instant, sa théorie de la relativité continue de se montrer inébranlable, et permet toujours de décrire le monde qui nous entoure de manière très satisfaisante. Mais ces travaux suggèrent tout de même que l’iceberg de la mécanique quantique est encore plus étendu que prévu, et qu’à l’avenir, nous découvrirons sans doute d’autres exemples où elle s’écarte encore davantage de la physique traditionnelle.

Tout l’enjeu sera d’identifier précisément ces points de rupture pour, idéalement, réconcilier la relativité et la physique quantique dans un cadre théorique unique capable d’expliquer chaque élément de la réalité observable sans la moindre zone d’ombre. La fameuse Théorie du Tout, après laquelle Einstein et ses successeurs n’ont jamais cessé de courir.

Il sera donc passionnant de suivre les prochains épisodes de ce gigantesque feuilleton scientifique qui, un jour, pourrait transformer notre façon de concevoir l’univers et notre propre existence.

Les physiciens découvrent un monde quantique caché à l’intérieur du proton – et il est plus étrange que nous le pensions

(Image : Collision inélastique profonde entre un électron relativiste et un proton. Lors d’une collision inélastique profonde avec un proton, un électron relativiste (en bleu) peut émettre un photon de haute énergie (en violet ici) qui pénètre à l’intérieur du proton, où il ne " voit " qu’une fraction des quarks, gluons et particules virtuelles enchevêtrés. Le proton excité se désintègre ensuite en cascades de particules secondaires.)

Les protons sont loin d’être des particules simples – ce sont des chaudrons bouillonnants de quarks, de gluons et d’intrication quantique.

Les scientifiques ont utilisé cette intrication pour développer un modèle universel expliquant comment les particules émergent des collisions à haute énergie. Leurs prédictions correspondent aux données expérimentales passées, et les futurs collisionneurs mettront leur théorie à l’épreuve ultime, remodelant potentiellement notre compréhension de la physique nucléaire.

Regarder à l’intérieur du proton

L’intérieur d’un proton est l’un des domaines les plus dynamiques mais aussi les plus insaisissables de la physique. Dans cette minuscule particule, les quarks et les gluons interagissent dans une mer en perpétuel changement de particules virtuelles. Aujourd’hui, en utilisant la théorie de l’information quantique et le concept d’intrication quantique, les scientifiques ont développé un nouveau cadre pour décrire ces interactions avec une clarté sans précédent.

Pour la première fois, cette approche explique avec succès les données de toutes les expériences disponibles impliquant la diffusion de particules secondaires lors de collisions inélastiques profondes entre électrons et protons. Cette percée est le fruit d’une équipe internationale de théoriciens du Brookhaven National Laboratory (BNL) et de l’Université de Stony Brook (SBU) à New York, de l’Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) au Mexique et de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Comment étudions-nous l’intérieur du proton ?

" Si nous voulons comprendre les phénomènes qui se produisent à l’intérieur d’un proton, nous devons d’abord y accéder d’une manière ou d’une autre. Actuellement, les collisions entre protons et électrons sont la meilleure façon de le faire, car ces derniers sont non seulement beaucoup plus petits que les protons, mais surtout, ce sont des particules élémentaires, ce qui nous garantit qu’ils ne se désintégreront pas en autre chose ", explique le professeur Krzysztof Kutak (IFJ PAN), l’un des auteurs de l’article publié dans Reports on Progress in Physics.

Une mer de quarks et de gluons

Le proton n’est pas une particule élémentaire. Dans les termes les plus simples, on suppose qu’il est constitué de trois quarks de valence (deux quarks up et un quark down) " collés " par des gluons, c’est-à-dire des particules porteuses de l’interaction forte. Ces interactions sont si puissantes qu’à l’intérieur du proton, des paires de quarks virtuels et d’anti-quarks (même aussi massifs que le quark charm) et des paires de gluons virtuels (ce qui est possible car ces particules sont leurs propres antiparticules) apparaissent et disparaissent constamment.

L’intrication quantique dans le proton

Dans la recherche décrite ici, l’hypothèse clé était que, malgré la taille extrêmement réduite du proton, les quarks et les gluons qui le composent – collectivement appelés partons – sont intriqués quantiquement. On parle d’intrication entre objets quantiques lorsque les valeurs d’une propriété d’un objet réagissent aux changements de cette propriété dans un autre objet, même si l’information sur ce changement n’a pas eu le temps d’être transmise entre eux par un quelconque support se déplaçant dans l’espace.

" Dans le cas de l’intérieur du proton, l’intrication se produit à des distances difficiles à imaginer, de l’ordre d’un quadrillionième de mètre ou moins, et c’est une propriété collective. Comme nous l’avons montré dans nos publications précédentes, elle affecte non pas quelques partons, mais tous les partons du proton ", explique le professeur Martin Hentschinski (UDLAP).

Le rôle des collisions à haute énergie

Lorsque, dans une tentative d’explorer l’intérieur maximalement intriqué d’un proton, un électron le frappe, une interaction électromagnétique se produit entre les deux particules, dont le vecteur est un photon. Dans les collisions inélastiques profondes, l’énergie du photon échangé est si élevée que l’onde électromagnétique associée commence à " s’insérer " à l’intérieur du proton et à " voir " les détails de sa structure interne.

À la suite de l’interaction avec le photon, le proton peut ensuite se désintégrer en produisant de nombreuses particules secondaires. L’intrication se manifestera ici par le fait que le nombre de particules secondaires émises par la partie du proton " vue " par le photon déterminera le nombre de particules produites sous forme de hadrons observés.

Mesurer l’intrication avec l’entropie

" C’est ainsi que nous arrivons au concept d’entropie, qui est particulièrement important dans l’étude des systèmes hautement complexes et en information quantique. Si, grâce aux collisions inélastiques profondes, nous avions accès à l’intégralité de l’information sur l’intrication dans le proton, nous pourrions parler d’une entropie d’intrication nulle."

Cependant, un photon pénétrant à l’intérieur d’un proton ne " voit " qu’une partie de l’intérieur du proton, le reste lui reste caché – ce qui signifie que l’entropie d’intrication est non nulle. Nous avons donc une mesure pratique de la quantité d’intrication dans le proton », explique le professeur Dmitri Kharzeev (SBU, BNL).

Confirmation expérimentale et analyse des données

Dans l’article en question, l’équipe internationale de physiciens a prouvé que, sur la base de l’entropie d’intrication, il est possible de prédire l’entropie des hadrons produits lors d’une collision électron-proton. En conséquence, l’intrication maximale des quarks et des gluons dans un proton se manifeste par l’impossibilité de déterminer combien de particules seront produites lors d’une collision particulière. Ces prédictions ont maintenant été vérifiées pour toutes les variantes des mesures effectuées en 2006-2007 dans l’expérience H1 au collisionneur de particules HERA du centre DESY à Hambourg, où des protons uniques entraient en collision avec des positrons, les antiparticules des électrons.

" Nous travaillons sur l’intrication à l’intérieur du proton depuis plusieurs années. Alors que nous avons vérifié nos travaux théoriques précédents en les confrontant aux mesures de sessions spécifiques, nous avons maintenant réussi à décrire toutes les données expérimentales d’entropie de diffusion inélastique profonde dans un formalisme universel unique ", souligne le Dr. Zhoudunming Tu (BNL).

Les futurs collisionneurs et les nouvelles découvertes

L’équipe de physiciens impliquée dans le projet anticipe que c’est le formalisme généralisé qui permettra une interprétation plus facile et plus précise des mesures des futurs collisionneurs, comme le Collisionneur Électron-Ion (EIC), qui sera lancé au laboratoire de Brookhaven au début de la prochaine décennie. Là, les électrons entreront en collision non seulement avec des protons individuels, mais aussi avec des ions. Combinée à de nouvelles données expérimentales, l’approche théorique proposée devrait alors aider à résoudre des problèmes importants de la physique nucléaire moderne.

Une nouvelle voie en physique nucléaire

" Aujourd’hui, nous avons une forte indication que notre nouveau formalisme prenant en compte l’entropie d’intrication n’est pas corrélé au hasard avec une méthode particulière de mesure des phénomènes nucléaires, mais qu’il a une réelle capacité à expliquer la nature des événements observés. Nous sommes convaincus qu’en étudiant l’entropie d’intrication, nous pourrons mieux comprendre comment les interactions fortes lient les quarks et les gluons dans les protons ou répondre à la question de savoir comment l’appartenance à un noyau atomique plus large affecte les propriétés d’un seul proton ", conclut le professeur Kutak.



 

Le physicien qui décode la nature non-binaire du monde subatomique

À l'intérieur du proton, les quarks et les gluons modifient et transforment leurs propriétés d'une manière que les physiciens peinent encore à comprendre. Rithya Kunnawalkam Elayavalli apporte au problème une perspective différente de celle de leurs pairs. De nombreuses découvertes en physique découlent de la théorie à l'expérience. Albert Einstein a théorisé que la masse courbe le tissu de l'espace-temps, puis Arthur Eddington a observé les effets de cette courbure lors d'une éclipse solaire. De même, Peter Higgs a d'abord proposé l'existence du boson de Higgs ; près de 50 ans plus tard, la particule a été découverte au Grand Collisionneur de Hadrons.

L'hadronisation est différente. C'est le processus par lequel les particules élémentaires appelées quarks et gluons s'assemblent pour former des protons et des neutrons - les composants des atomes. Aucune théorie actuelle ne peut décrire avec précision comment ou pourquoi l'hadronisation se produit.

"C'est vraiment l'opposé de la norme", déclare Rithya Kunnawalkam Elayavalli, physicien nucléaire de haute énergie à l'Université Vanderbilt à Nashville, Tennessee.

Kunnawalkam Elayavalli passe ses journées à observer l'hadronisation et à essayer de formuler une théorie qui l'explique. Ils font partie des expériences Sphenix et STAR au Collisionneur d'Ions Lourds Relativistes (RHIC) à New York, ainsi que membre de l'expérience CMS au CERN près de Genève. Leurs recherches étudient le comportement des quarks et des gluons après les collisions, pendant la fraction de milliseconde durant laquelle ces particules se déplacent librement avant de s'hadroniser à nouveau.

Ces expériences ont révélé des détails sur la structure des quarks et des gluons dans cet état intermédiaire, ainsi que sur le moment de l'hadronisation. Pourtant, Kunnawalkam Elayavalli trouve frustrant d'observer sans comprendre davantage.

Le domaine quantique défie les binaires - les gluons en particulier. Ces entités élémentaires peuvent avoir trois charges différentes dans de multiples configurations. Et elles doivent exister en ensembles qui équilibrent ces charges. Pour Kunnawalkam Elayavalli, c'est similaire à la multiplicité des genres qu'ils expérimentent en tant que personne non-binaire. Quanta Magazine s'est entretenu avec eux pour discuter des mystères de la physique nucléaire qui transcende le binaire, ainsi que de leur expérience en tant que personne transgenre - au Tennessee, qui plus est, où la législation anti-trans est parmi les plus régressives du pays - tout en faisant de la science naturelle.

L'interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.

Que comprenons-nous des quarks et des gluons ?

Au moment du Big Bang, il devait y avoir une forme de matière qui existait, cette matière primordiale faite de quarks et de gluons avant qu'ils ne se convertissent en hadrons. La meilleure compréhension des quarks et des gluons que nous ayons vient de la théorie de la chromodynamique quantique, qui a été développée dans les années 1970. Nous l'appelons "chromo" parce que nous avons introduit ce nouveau concept appelé charge de couleur. Les quarks et les gluons peuvent avoir trois charges différentes, et les physiciens ont nommé ces trois choses rouge, bleu et vert. Vous pouvez aussi avoir des antiquarks, ce qui signifie que vous avez des anti-couleurs : anti-rouge, anti-bleu et anti-vert.

- Juste pour être clair, cela n'a rien à voir avec la couleur telle que nous la connaissons ?

Il n'y a pas de véritable connexion. Nous avions besoin de quelque chose qui venait par trois et qui, une fois additionné, devient une quantité nulle. La couleur était un terme raisonnable à utiliser. Avec la lumière, quand vous combinez rouge, bleu et vert ensemble, vous obtenez de la lumière blanche, qui est neutre. Et si vous combinez une couleur et son anti-couleur, vous obtenez aussi du blanc. De même, les quarks et les gluons portent par eux-mêmes des charges de couleur, et tous les hadrons sont des combinaisons neutres en couleur de ces quarks et gluons. Tout ce que nous voyons dans le monde est neutre en couleur.

Mais pour compliquer les choses, les gluons ont plusieurs charges de couleur ; une couleur va dans ce sens, l'autre couleur va dans l'autre sens. Les quarks ont trois charges de couleur. Les gluons ont deux charges de couleur.

- Comment savons-nous que cette description est correcte ?

Notre validation de la théorie de la chromodynamique quantique vient des comparaisons avec les données réelles des collisionneurs. Nous faisons entrer en collision un électron et un positron, qui est l'antiparticule de l'électron. Nous savons que lorsque la matière rencontre sa propre antimatière, elle explose. Cette explosion d'énergie se convertit en une paire quark et antiquark. La probabilité que ce processus se produise était bien décrite par la théorie de la chromodynamique quantique.

C'est ainsi que nous savons que cette théorie peut modéliser les quarks et les gluons. Ce qu'elle ne peut pas faire, c'est décrire les quarks et les gluons lorsqu'ils se regroupent en hadrons. À ce moment-là, la théorie s'effondre dans la région que nous appelons non perturbative - physique non calculable. Tous nos calculs explosent. Ils explosent littéralement, dans le sens où les termes tendent vers l'infini. C'est là que notre compréhension théorique nous fait défaut.

- Comment vous et vos collègues utilisez-vous les collisionneurs de particules pour mieux comprendre ce processus ?

Le RHIC fait entrer en collision des noyaux d'atomes d'or. Quand vous faites cela, vous injectez tellement d'énergie dans le système, parce que vous faites entrer en collision plusieurs protons et neutrons avec plusieurs protons et neutrons. Ces gars ont tellement d'énergie que vous recréez en quelque sorte un peu du Big Bang. Nous l'appelons le Petit Bang. Et à partir du Petit Bang, vous obtenez un très court laps de temps, 10−22 secondes - yoctosecondes. Dans ce court laps de temps, un fluide appelé plasma quarks-gluons apparaît, et tous les quarks et gluons communiquent entre eux. C'est une boule de feu. Ensuite, elle évolue. Elle s'expand. Elle refroidit. À un certain point, elle atteint la température à laquelle les quarks et les gluons se convertissent en hadrons.

Donc nous commençons avec des hadrons que nous faisons entrer en collision. Puis nous passons aux quarks et aux gluons, et ensuite nous revenons aux hadrons. L'hadronisation se produit devant nous chaque fois que nous faisons fonctionner nos collisionneurs, sur n'importe quel collisionneur dans l'histoire de la physique. Le fait que nous ne puissions pas le comprendre au niveau quantitatif ou même qualitatif - c'est frustrant ! Une des principales motivations de ma recherche est de l'observer et d'essayer de comprendre ce qui se passe ici.

- Dans ma tête, j'imagine que vous prenez tous une photo avec un petit appareil photo et que vous étudiez l'explosion.

- Eh bien, en gros, oui.

Voici une analogie simple. Disons que vous travaillez dans les tests de sécurité automobile. Vous mettez un mannequin dans la voiture, vous accélérez la voiture, vous heurtez un bloc, et ensuite vous regardez ce qui arrive au corps du mannequin pour déterminer si c'est sûr et si les airbags fonctionnent.

Maintenant imaginez que vous n'avez qu'une photographie du site de test de collision plusieurs années plus tard. Et une photographie de la voiture non endommagée avant la collision. Ce décalage temporel de plusieurs années dans l'analogie reflète le décalage en yoctosecondes entre la collision et votre capacité à la capturer, n'est-ce pas ?

- Oui, cela se produit en un temps très court, et il n'y a aucun moyen de l'arrêter.

Donc vous regardez ces deux photographies, et vous dites : Je sais que la main du mannequin a commencé ici et a fini là. Quels sont les autres indices dans la photographie que je peux utiliser pour recréer le trajet de la main du mannequin ?

Je crée un algorithme de reconstruction. D'ici, la main va revenir par là, et puis je rassemble plus d'informations, et puis je remonte plus loin. Je peux estimer ce qui se passe en théorie grâce à une simulation.

Nous avons un processus itératif où nous apprenons. Nous faisons une prédiction ; les données ne sont pas d'accord. Nous mettons à jour la prédiction ; nous la comparons avec de nouvelles données. Peut-être que ça correspond.

Faire cela aux plus petits niveaux de la matière autour de nous, c'est vraiment ce dont il s'agit en physique des particules et en physique nucléaire de haute énergie.

- Qu'avez-vous découvert ?

Nous mesurons des jets, qui sont des structures en forme de cône composées d'un spray de hadrons et d'autres particules et fragments de particules qui s'échappent d'une collision. Nous reconstruisons et étudions la sous-structure de ces jets. En regardant la distribution des particules dans le jet, si je regarde les particules qui sont éloignées les unes des autres, c'est une région très calculable du jet. À mesure que l'échelle de distance se rapproche, cela entre dans la région incalculable ou non perturbative. Nous avons identifié une échelle spécifique où les quarks et les gluons ne peuvent plus être considérés comme des quarks et des gluons ; ils doivent être considérés comme des hadrons.

Dans notre quête à long terme pour identifier comment se produit l'hadronisation, nous avons découvert avec nos données et nos calculs que l'hadronisation semble se produire à cette échelle de distance fixe, appelée région de transition. Je peux convertir cette distance en temps. Donc nous arrivons enfin au point où nous savons exactement quand l'hadronisation a lieu.

- Est-ce que les propriétés des quarks et des gluons résonnent avec vous en tant que personne non-binaire ?

Oui, je pense que le simple fait que les gluons portent plusieurs charges de couleur signifie qu'ils sont fondamentalement des créatures non-binaires. Et ils sont la pierre angulaire de tout ce qui nous entoure.

C'est un aspect plus coloré de la nature. Cela nous dit qu'il y a quelque chose de plus que la simple charge binaire positive ou négative. Vous avez beaucoup plus de choix de couleurs. Vous avez beaucoup plus de saveurs dans la soupe.

- Que signifie pour vous l'observation de ces particules ?

Je suis dans un voyage de découverte de soi en même temps que mon voyage intellectuel pour comprendre les quarks et les gluons et comment ils évoluent. Tout, selon moi, a un chemin d'évolution.

J'ai commencé dans une société [dans le sud de l'Inde] qui était très binaire dans sa représentation visuelle. Il y avait des rôles de genre clairement définis. Venir aux États-Unis et y passer 15 ans m'a pris beaucoup de temps pour réaliser ce que je pourrais comprendre être moi-même. L'idée du non-binaire, de ne pas appartenir à une certaine représentation - cela a pris beaucoup de temps à réaliser.

Ma première réalisation que c'était une possibilité, que la transition pourrait arriver, c'était au CERN. Mon collègue est simplement apparu en portant une robe. Et je me suis dit : Oh, on peut faire ça !

Dans le monde de la physique, il n'y a pas beaucoup de personnes queer ou trans. La représentation compte beaucoup pour moi, et être présent.e en tant que personne trans ouvertement, représentant mon domaine, mon domaine d'étude - qui est fondamentalement non-binaire dans sa nature - est un aspect très important de mon travail quotidien. Mais c'est difficile. Notre représentant du Tennessee au Congrès vient de déposer un projet de loi qui supprime le financement fédéral de toute institution qui facilite "la dissociation d'un individu de son sexe". C'est le libellé du projet de loi.

Ils s'en prennent à l'assurance. Ils s'en prennent aux universités.

- Comment pouvez-vous penser à la physique quand vous pensez à tout cela ?

Cinquante pour cent de mon cerveau pense à cela, comment je peux survivre, et dans les 50% restants du cerveau, je peux penser à la physique.

Je suis physicien.ne, mais avant cela, je suis une personne. Si quelqu'un veut juste parler physique avec moi, vous ne pouvez pas juste avoir ma physique, vous avez aussi le fait que je suis une personne trans et vous entendez parler de l'environnement dans lequel on me demande de faire ma recherche.