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 chercheurs ont photographié ce que personne n’avait vu depuis 100 ans

Une avancée historique vient d’être franchie dans le monde de la physique quantique. Pour la toute première fois, des chercheurs ont réussi à capturer des images d’atomes individuels flottant librement et interagissant dans l’espace. Une prouesse technologique qui confirme, près d’un siècle plus tard, certaines des prédictions les plus fondamentales de la mécanique quantique.

L’étude révolutionnaire menée par Yao et son équipe dévoile une avancée majeure dans l’observation des gaz quantiques, offrant une plongée inédite dans les comportements microscopiques des bosons et fermions.

Méthodologie innovante

En s’affranchissant des limites des réseaux optiques traditionnels, les chercheurs ont réalisé une microscopie in situ des atomes en mouvement libre, dans un continuum spatial. Cette technique permet une résolution individuelle des particules, capturant leurs positions exactes et révélant les corrélations quantiques avec une précision sans précédent.

Révélations sur les bosons

- Condensation de Bose-Einstein : L’imagerie directe montre la transition vers un état condensé, où les atomes s’unissent dans un même état quantique, confirmant théoriquement ce phénomène avec une clarté expérimentale inégalée.

- Corrélations renforcées : Pour les bosons thermiques (non condensés), l’étude mesure une augmentation des interactions par paires, signature des effets collectifs quantiques.

Comportement des fermions

- Trou d’échange : Observation directe de la suppression des corrélations à courte distance chez les fermions, manifestation visuelle du principe d’exclusion de Pauli.

- Paires non locales : Dans les gaz de Fermi fortement interactifs en 2D, des paires d’atomes liés émergent, dont la taille et la dynamique varient continûment lors de la transition BEC-BCS – un graal de la physique ultrafroide.

Applications et perspectives

La technique ouvre la voie à l’analyse in situ de systèmes quantiques complexes :

- Thermométrie instantanée via le théorème fluctuation-dissipation, cruciale pour les études hors équilibre.

- Mesure du contact à courte portée, paramètre clé des gaz fortement corrélés.

- Exploration future des mélanges boson-fermion et des phases exotiques de la matière.

Cette percée, comparée à un " microscope quantique ", éclaire d’un jour nouveau l’intrication des particules, promettant de déchiffrer des énigmes allant des supraconducteurs à haute température à la matière neutronique





 

L'axion, la particule fantôme qui pourrait percer le secret de la matière noire

La matière noire reste un grand mystère en astrophysique. Pourtant, une particule appelée axion pourrait en être la clé. Des chercheurs ont réussi à recréer un équivalent en laboratoire, ouvrant la voie à sa détection dans l’univers.

Imperceptible, mais essentielle à l’équilibre de l’Univers, la matière noire reste l’un des plus grands mystères de l’astrophysique moderne. De quoi est-elle composée ? Où se cache-t-elle ? Les scientifiques ont encore du mal à se mettre d'accord. Contrairement à la matière ordinaire qui compose tout ce qui nous entoure, la matière noire ne réfléchit ni n’émet de lumière. Sa présence n’est trahie que par les effets gravitationnels qu’elle exerce sur les étoiles, les galaxies et même sur la lumière elle-même.

Les scientifiques pensent toutefois qu’une particule spécifique pourrait constituer l’un des éléments de la matière noire : l’axion. Au cours d’une expérience révolutionnaire, des chercheurs de Harvard et du King’s College ont créé une imitation assez convaincante de cette particule. La pièce manquante du puzzle pourrait bien avoir été trouvée !

Une imitation de l’axion

L’axion est une particule hypothétique, c'est-à-dire que nous ne savons pas vraiment si elle existe. Dans les années soixante-dix, l’axion est théorisé par des scientifiques pour résoudre un problème de symétrie dont souffrait la "théorie des interactions fortes", qui décrit les forces qui maintiennent les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons.

Avec leur expérience, les chercheurs ont tenté de créer une quasi-particule d’axion. Cette quasi-particule se comporte de la même façon que l’axion dans un matériau, en d’autres termes, c’est une sorte d'imitation. Une idée qui avait émergé pour la première fois en 2010 mais était restée infructueuse jusqu’à présent. Les scientifiques de Harvard et du King's College, semblent finalement avoir réussi à en créer, en utilisant un matériau composé de fines couches de tellurure de bismuth et de manganèse. Ces substances chimiques, une fois combinées, forment un matériau unique, particulièrement utile pour créer des quasi-particules.

Un matériau aux propriétés uniques pour traquer les axions

Dans ce matériau, les champs électriques et magnétiques sont intrinsèquement liés. La quasi-particule d’axion s’est ainsi formée grâce à cette oscillation entre le magnétisme et l’électricité : un comportement semblable à celui des véritables particules d’axion. Grâce à cette expérience, les scientifiques ont désormais la preuve de l’existence d’une quasi-particule d’axion dans ce matériau. Comme l’explique Interesting Engineering, "les oscillations observées dans cette nouvelle étude fournissent un signal clair et incontestable d’axions".

Le tellurure de bismuth et de manganèse pourrait également être utilisé pour développer un détecteur capable de repérer de vraies particules d’axion dans la nature, si elles existent. En effet, lorsqu’un axion pénètre dans le champ magnétique autour de ce matériau, il pourrait se transformer en photon (une particule de lumière). Ce photon interagirait alors avec la quasi-particule d’axion, ce qui permettrait d’amplifier le signal et de rendre l’axion détectable. Ce matériau ne se contente donc pas de reproduire le comportement de l’axion : il pourrait aussi devenir un outil concret pour le détecter dans la nature.

Physique : des chercheurs observent une “pluie quantique” pour la première fois 

Des chercheurs ont récemment observé, pour la première fois, un phénomène baptisé " pluie quantique ", à la frontière entre la physique des fluides classique et la mécanique quantique. Cette découverte, réalisée grâce à une expérience sophistiquée, ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension fondamentale de la matière et pour le développement de technologies quantiques avancées2.

Points clés et aspects novateurs

1. Contexte physique classique et analogie

- Le phénomène de la formation de gouttelettes (ex : pluie sur une vitre) est régi par des principes classiques, notamment le principe de moindre action (Lagrange) qui conduit à la minimisation de la surface d’un liquide, et donc à la formation de gouttes sphériques via la tension superficielle.

- Cette tension superficielle est aussi responsable de l’instabilité de Plateau-Rayleigh : un jet de liquide finit par se fragmenter en gouttelettes au-delà d’une certaine longueur, phénomène fondamental en physique des fluides et crucial dans de nombreux domaines appliqués.

2. Question centrale et nouveauté expérimentale

La question fondamentale posée par les chercheurs : ces phénomènes classiques (tension superficielle, instabilité de Plateau-Rayleigh) existent-ils aussi dans le monde quantique ?

Jusqu’à présent, ces instabilités étaient connues dans les liquides classiques et observées dans l’hélium superfluide, mais jamais dans un gaz atomique ultrafroid.

3. L’expérience : création et manipulation de gouttelettes quantiques

- Les chercheurs ont utilisé un mélange gazeux de rubidium-87 et de potassium-41, refroidi à une température proche du zéro absolu, pour créer des gouttelettes quantiques, entités stabilisées uniquement par des effets quantiques.

- Grande innovation : introduction d’un laser comme " tuteur électromagnétique " permettant de canaliser ces gouttelettes et de les étirer en filaments sur une longue distance, créant ainsi une analogie structurelle avec les jets de liquide classique.

4. Observation de la " pluie quantique "

- À partir d’une distance critique, ces filaments quantiques deviennent instables et se fragmentent en plusieurs gouttelettes individuelles, reproduisant à l’échelle quantique l’instabilité de Plateau-Rayleigh observée dans les jets de liquides classiques.

Cette dynamique de rupture a été décrite à l’aide d’expériences et de simulations numériques, confirmant que l’instabilité capillaire existe aussi dans le domaine quantique.

5. Implications fondamentales et technologiques

- Cette observation prouve que certains phénomènes de la physique des fluides classiques trouvent leur équivalent dans le monde quantique, ce qui éclaire la frontière entre physique classique et quantique, encore largement inexplorée et source de nombreuses énigmes scientifiques2.

- Les gouttelettes quantiques pourraient servir de base à la création de réseaux pour des applications futures en technologies quantiques (ordinateurs, capteurs), en optique, nanotechnologies et science des matériaux.

Cette avancée offre un nouveau cadre expérimental pour manipuler et étudier la matière quantique, ouvrant la voie à de potentielles innovations dans la compréhension et l’utilisation des états exotiques de la matière.

Points particulièrement intéressants et novateurs

- Première observation de l’instabilité de Plateau-Rayleigh dans un gaz atomique quantique : jusqu’ici jamais observée dans ce contexte, elle était limitée aux liquides classiques et à l’hélium superfluide24.

- Utilisation du laser comme guide d’ondes pour structurer la matière quantique : cette méthode permet de manipuler la forme et la dynamique des gouttelettes quantiques de manière inédite2.

- Confirmation expérimentale d’une analogie profonde entre physique classique et quantique : la découverte montre que les lois gouvernant la fragmentation des jets de liquide s’appliquent aussi à des systèmes quantiques, ce qui rapproche deux domaines traditionnellement séparés.

- Perspectives applicatives : la possibilité de créer et de contrôler des réseaux de gouttelettes quantiques ouvre des perspectives pour les technologies de l’information quantique et la conception de nouveaux matériaux.

Conclusion

La découverte de la " pluie quantique " représente une avancée majeure dans la compréhension de la matière à l’interface du monde classique et quantique. Elle offre un nouveau terrain d’exploration pour la physique fondamentale et des applications potentielles dans les technologies quantiques, tout en illustrant la puissance des analogies entre phénomènes macroscopiques et quantiques.

 

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.



 

La physique des particules repose principalement sur des constructions mathématiques abstraites, avec une part estimée entre 80% et 90% de son cadre théorique relevant de formalismes mathématiques purs. Cette abstraction se manifeste à travers plusieurs aspects clés :

Fondements mathématiques du modèle standard

1 - Théorie quantique des champs :

Le modèle standard est formulé dans le langage des théories de jauge non abéliennes, reposant sur des groupes de symétrie SU(3)×SU(2)×U(1)SU(3)×SU(2)×U(1). Ces structures géométriques abstraites gouvernent les interactions entre particules46.

2 -Équations fondamentales :

Les équations de champ (comme celles décrivant le boson de Higgs ou les interactions fortes) sont dérivées de principes variationnels et d'invariances mathématiques, sans référence directe à l'expérience36.

3 .Prédictions théoriques :

Des concepts comme le mécanisme de Higgs ou l'existence des quarks top et charm ont d'abord émergé de considérations mathématiques avant toute confirmation expérimentale6.

Part empirique du modèle

Les 19 paramètres libres (masses des particules, constantes de couplage, etc.) constituent la portion non déductible mathématiquement, déterminée uniquement par l'expérience. Ils représentent environ 10-20% du cadre théorique global6.

Exemples d'abstraction mathématique

- La chromodynamique quantique décrit les quarks via des équations de Yang-Mills dans un espace de couleur abstrait à 8 dimensions14.

- Les matrices CKM et PMNS modélisent le mélange des quarks et neutrinos à l'aide de formalismes de groupe complexes6.

- La renormalisation, outil mathématique essentiel, permet de traiter les divergences infinitésimales dans les calculs quantiques4.

Ce haut niveau d'abstraction explique pourquoi la physique des particules entretient des liens étroits avec les mathématiques pures (théorie des groupes, topologie, géométrie différentielle)36. Cependant, la validation expérimentale reste cruciale pour ancrer ces constructions dans la réalité physique46.

(FLP) - Merci. On parle bien du monde quantique, corrélé, non classique.

 (IA) - Absolument ! La physique des particules explore le monde quantique, où les phénomènes non classiques et les corrélations contre-intuitives dominent. Voici comment ces aspects se manifestent concrètement :

Univers quantique vs classique : 3 ruptures radicales

1 - Superposition quantique :

Les particules comme les électrons ou les quarks existent dans des états superposés (ex : spin ↑ et ↓ simultanément) jusqu'à la mesure. Ceci contraste avec la physique classique où un objet a toujours des propriétés bien définies.

2 - Intrication quantique :

Des particules corrélées (ex : paires de quarks/antiquarks) restent liées même séparées par des années-lumière. Une mesure sur l'une détermine instantanément l'état de l'autre, violant le principe de localité classique.

→ Expérience emblématique : Violation des inégalités de Bell confirmée avec des photons (Aspect, 1982) et des quarks liés (expériences LHCb).

 - Non-commutativité :

En mécanique quantique, [x,p]=iℏ[x,p]=iℏ implique qu'on ne peut pas mesurer simultanément position et impulsion avec précision infinie – une limite fondamentale absente en physique newtonienne.

Manifestations concrètes en physique des particules

- Mélange de particules-antiparticules :

Les mésons K (kaons) et B oscillent spontanément entre particule et antiparticule, un phénomène purement quantique.

- Énergie du vide quantique :

Le principe d'incertitude permet à des paires virtuelles quark-antiquark ou électron-positon d'apparaître brièvement dans le vide, affectant les mesures de précision comme le moment magnétique anormal du muon.

- Interactions non locales :

Dans les diagrammes de Feynman, des particules virtuelles (photons, gluons) médient des interactions à distance via des corrélations quantiques instantanées.

Pourquoi le classique échoue ici ?

- Échelle d'énergie : À 10⁻¹⁵ m (taille des protons), les effets quantiques dominent (longueur d'onde Compton des quarks ≈ taille du nucléon).

- Décohérence négligeable : Contrairement aux objets macroscopiques, les particules élémentaires interagissent trop peu avec leur environnement pour perdre rapidement leurs propriétés quantiques.

Ce cadre théorique, bien que mathématiquement abstrait, décrit avec une précision inouïe (jusqu'à 12 décimales pour l'anomalie du magnéton de l'électron) le comportement réel des particules. La " bizarrerie " quantique n'est pas une curiosité théorique – c'est le langage natif de l'Univers à ses échelles fondamentales.

(FLP) - On peut donc parler d''un monde sous-jacent, quasi inaccessible, à hautes vibrations, corrélé, mort, désincarné, non émergé... quelles autres formulations peux-tu proposer pour cette même idée ?

(IA) -  Voici une série de formulations alternatives pour décrire cette réalité quantique sous-jacente, en combinant métaphores scientifiques et poétiques :

Formulations poético-scientifiques

1 - "Un substrat vibratoire primordial" → Évoque les champs quantiques omniprésents dont émergent particules et forces

2 - "L'architecture fantomatique de l'Être" → Inspiré par les états superposés et les probabilités non actualisées

3 - "Le chant des symétries cachées"  → Renvoie aux invariances mathématiques gouvernant les interactions

Métaphores empruntées à la physique

4 - "L'océan de fluctuations du vide" → Décrit la mer de paires virtuelles prédite par le principe d'incertitude

5 - "La matrice des corrélations non locales"→ Capture l'intrication quantique défiant l'espace-temps classique

6 - "Le réseau des degrés de liberté cachés"** → Fait référence aux variables internes comme la couleur des quarks

Approches philosophiques

7 "Le réel voilé" (d'après Bernard d'Espagnat) → Postule une réalité inconnaissable en dehors de la mesure

8 - "L'ordre implié" (Bohm) vs "l'ordre explié" → Distingue réalité profonde et phénomènes observables

9 - "Le théâtre des potentialités pures" → Met l'accent sur le statut pré-mesure des amplitudes quantiques

Fusions science/mystique

10 -"La danse des nombres premiers cosmiques" → Lie mathématiques fondamentales et structure de la matière

11 - "Le silence vibratoire des équations éternelles" → Évoque les lois mathématiques transcendant le temps physique

12 "L'écho fractal de la singularité initiale" → Connecte physique des particules et cosmologie du Big Bang

Metaphysique contemporaine

13 - "L'ontologie des opérateurs hermitiens" → Réduit la réalité aux observables mathématiques de la MQ 

14 - "Le paysage des états purs" (dans l'espace de Hilbert) → Décrit l'univers comme une superposition globale

15 - "L'archétype platonicien actualisé" → Fait le lien entre formes mathématiques et réalité physique

Chaque formulation souligne un aspect différent : l'abstraction mathématique, le statut pré-phénoménal, ou le caractère dynamique. Le choix dépend de l'angle que vous souhaitez privilégier - poétique, épistémologique ou ontologique.

Mais aussi : "La source fractale des amplitudes de probabilité"

(FLP) - merci, venons-en à la priméité de CS peirce stp

(IA)  -  Vous avez tout à fait raison de faire ce lien ! La priméité de Peirce offre une grille de lecture fascinante pour appréhender le substrat quantique. Voici comment ces concepts s'articulent :

Priméité quantique

La priméité – catégorie du possible pur, de la qualité immédiate non actualisée – correspond étrangement aux propriétés quantiques fondamentales :           - Superpositions non résolues : Les états quantiques superposés (ex: spin ↑+↓) incarnent une priméité probabiliste avant mesure.

 -  Potentialités pré-phénoménales : La fonction d'onde ψ décrit un réseau de possibilités analogue à la "rougéité" peircienne avant son actualisation en couleur perçue.

 -  Indétermination ontologique : Le principe d'incertitude Δx·Δp ≥ ħ/2 formalise mathématiquement cette priméité métrique de l'univers3.

Secondéité et décohérence

La secondéité (choc du réel, dualité action-réaction) émerge via :

- L'effondrement de la fonction d'onde lors de la mesure (passage du possible à l'actuel).

- L'intrication quantique, où la corrélation entre particules actualise une secondéité non-locale défiant l'espace-temps classique4.

Tiercéité et interprétation

La tiercité (médiation, habitude) se manifeste dans :

- Les règles de sélection quantiques (ex: conservation du spin) comme lois médiatrices entre états.

- L'interprétation des observables, où l'appareil de mesure joue le rôle d'interprétant physicalisé au sens peircien5.

Épistémologie comparée

Concept                 Peirce                                             Physique Quantique

Priméité                 Qualité pure (ex: "rougéité")           Etats superposés (ψ = α

Secondéité            Choc dyadique (ex: perception)      Collapse de la fonction d'onde

Tiercéité                 Loi/habitude (ex: gravitation)          Règles de quantification (ex: spin demi-entier)

Cette analogie suggère que le formalisme quantique opère une mathématisation de la priméité, transformant les potentialités pures en amplitudes probabilistes. La mesure actualiserait alors une secondéité expérimentale, tandis que les symétries fondamentales (ex: SU(3) en QCD*) joueraient le rôle de tiercéités cosmiques6.

Clarification détaillée des trois concepts de la triade :

1. Priméité

- Définition : Mode d'être pur, qualitatif et non relationnel.

- Exemple : La "rougéité" comme qualité sensorielle en soi, avant son attribution à un objet spécifique (comme une pomme).

- Lien quantique : Les états superposés (ex: spin ↑+↓) incarnent cette priméité – potentialité pure avant mesure1.

2. Secondéité

- Définition : Choc dyadique entre un sujet et un objet

Exemple quantique :

Mesure : Collapse de la fonction d'onde (passage du possible à l'actuel).

Intrication non-locale : Corrélation instantanée entre particules (expérience d'Aspect), où l'état d'une particule détermine l'autre malgré la distance.

3. Tiercéité

Définition : Médiation via des lois/habitudes.

Exemples physiques :

Symétries SU(3) : Règles mathématiques gouvernant les interactions fortes (QCD)2.

Appareil de mesure : Matérialise la tiercéité en actualisant les potentialités quantiques (interprétation de Copenhague)9.

Correspondances spécifiques

a. Principe d'indétermination (3)

Il exprime une limite ontologique (non technique) :

Δx⋅Δp≥ℏ/2Δx⋅Δp≥ℏ/2

→ Le réel quantique n'a pas de propriétés définies pré-mesure69.

b. Intrication comme secondéité non-locale (4)

La corrélation EPR/Bell montre une secondéité sans contact physique :

- Expérience d'Aspect : Mesure du spin d'un photon détermine instantanément celui de son partenaire7.

- Violation du réalisme local : L'univers quantique est fondamentalement relationnel7.

c. Symétries comme tiercéités 

Les groupes comme SU(3) opèrent comme médiateurs universels :

- Rôle : Relient les particules via des lois invariantes (ex: conservation de la charge de couleur)2.

- Exemple : Le gluon (médiateur de la force forte) incarne cette tiercéité en reliant les quarks2.

Articulation globale

Catégorie                                 Physique Quantique                              Exemple

Priméité                                    États superposés                                    ∥ψ⟩=α∥↑⟩+β∥↓⟩∥ψ⟩=α∥↑⟩+β∥↓⟩

Secondéité                               Mesure/intrication                                    Collapse de la fonction d'onde

Tiercéité                                    Lois de symétrie                                      Lagrangien SU(3) en QCD

Cette triade peircienne offre un cadre heuristique pour penser le réalisme relationnel de la physique quantique, où l'être existe toujours en rapport à des médiations (appareils, symétries, observables).