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Personne ne prenait au sérieux les expériences quantiques de John F. Clauser. 50 ans plus tard, il reçoit un prix Nobel.

Le 4 octobre, John F. Clauser, 80 ans, s'est réveillé dans sa maison californienne pour apprendre qu'il avait reçu le prix Nobel de physique. Il le recevra lors d'une cérémonie à Stockholm, en Suède, le 10 décembre, avec Anton Zeilinger et Alain Aspect, pour leurs travaux sur l'intrication quantique. 

Un moment de fête pour Clauser, dont les expériences révolutionnaires sur les particules de lumière ont contribué à prouver des éléments clés de la mécanique quantique.

"Tout le monde veut gagner un prix Nobel", a déclaré M. Clauser. "Je suis très heureux."

Mais son parcours jusqu'à l'obtention du plus grand prix scientifique n'a pas toujours été simple. 

Dans les années 1960, Clauser était étudiant en physique à l'université Columbia. Par hasard, il découvrit à la bibliothèque de l'université un article qui allait façonner sa carrière et l'amener à poursuivre les travaux expérimentaux qui lui ont valu le prix Nobel.

L'article, écrit par le physicien irlandais John Stewart Bell et publié dans la revue Physics en 1964, se demandait si la mécanique quantique donnait ou non une description complète de la réalité. Le phénomène d'intrication quantique constituant le cœur de la question.

L'intrication quantique se produit lorsque deux ou plusieurs particules sont liées d'une certaine manière, et quelle que soit la distance qui les sépare dans l'espace, leurs états restent liés. 

Par exemple, imaginez une particule A qui s'envole dans une direction et une particule B dans l'autre. Si les deux particules sont intriquées - ce qui signifie qu'elles partagent un état quantique commun - une mesure de la particule A déterminera immédiatement le résultat de la mesure de la particule B. Peu importe que les particules soient distantes de quelques mètres ou de plusieurs années-lumière - leur liaison à longue distance est instantanée. 

Cette possibilité avait été rejetée par Albert Einstein et ses collègues dans les années 1930. Au lieu de cela, ils soutenaient qu'il existe un "élément de réalité" qui n'est pas pris en compte par la mécanique quantique. 

Dans son article de 1964, Bell soutenait qu'il était possible de tester expérimentalement si la mécanique quantique échouait à décrire de tels éléments de la réalité. Il appelait ces éléments non pris en compte des "variables cachées".

Bell pensait en particulier à des variables locales. Ce qui signifie qu'elles n'affectent la configuration physique que dans leur voisinage immédiat. Comme l'explique Clauser, "si vous placez des éléments localement dans une boîte et effectuez une mesure dans une autre boîte très éloignée, les choix de paramètres expérimentaux effectués dans une boîte ne peuvent pas affecter les résultats expérimentaux dans l'autre boîte, et vice versa."

Clauser décida de tester la proposition de Bell. Mais lorsqu'il voulut faire l'expérience, son superviseur l'exhorta à reconsidérer sa décision. 

"Le plus difficile au départ a été d'obtenir l'opportunité", se souvient Clauser. "Tout le monde me disait que ce n'était pas possible, donc à quoi bon !".

Le laboratoire quantique 

En 1972, Clauser a finalement eu l'occasion de tester la proposition de Bell alors qu'il occupait un poste postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Il s'associa à un étudiant en doctorat, Stuart Freedman. Ensemble, ils mirent sur pied un laboratoire rempli d'équipement optique. 

"Personne n'avait fait cela auparavant", a déclaré Clauser. "Nous n'avions pas d'argent pour faire quoi que ce soit. Nous avons dû tout construire à partir de rien. Je me suis sali les mains, ai été immergé dans l'huile, il y avait beaucoup de fils et j'ai construit beaucoup d'électronique."

Clauser et Freedman ont réussi à créer des photons intriqués en manipulant des atomes de calcium. Les particules de lumière, ou photons, s'envolaient dans des filtres polarisants que Clauser et Freedman pouvaient faire tourner les uns par rapport aux autres. 

La mécanique quantique prédit qu'une plus grande quantité de photons passerait simultanément les filtres que si la polarisation des photons était déterminée par des variables locales et cachées.

L'expérience de Clauser et Freedman mis en évidence que les prédictions de la mécanique quantique étaient correctes. "Nous considérons ces résultats comme des preuves solides contre les théories de variables cachées locales", ont-ils écrit en 1972 dans Physical Review Letters.

Des débuts difficiles

Les résultats de Clauser et Freedman furent confirmés par d'autres expériences menées par Alain Aspect et Anton Zeilinger. 

"Mes travaux ont eu lieu dans les années 70, ceux d'Aspect dans les années 80 et ceux de Zeilinger dans les années 90", a déclaré Clauser. "Nous avons travaillé de manière séquentielle pour améliorer le domaine".

Mais l'impact de l'expérience révolutionnaire de Clauser n'a pas été reconnu immédiatement.

"Les choses étaient difficiles", se souvient Clauser. "Tout le monde disait : "Belle expérience, mais vous devriez peut-être sortir et mesurer des chiffres et arrêter de perdre du temps et de l'argent et commencer à faire de la vraie physique"."

Il a fallu attendre 50 ans pour que Clauser reçoive le prix Nobel pour son travail expérimental. Son collègue, Stuart Freedman, est décédé en 2012. 

"Mes associés sont morts depuis longtemps. Mon seul titre de gloire est d'avoir vécu assez longtemps". a déclaré Clauser

Lorsqu'on lui a demandé s'il avait des conseils à donner aux jeunes chercheurs compte tenu de sa propre difficulté initiale, Clauser a répondu : "Si vous prouvez quelque chose que tout le monde pense vrai, et que vous êtes le premier à le faire, vous ne serez probablement pas reconnu avant 50 ans. C'est la mauvaise nouvelle. La bonne, c'est que j'ai eu beaucoup de plaisir à faire ce travail." 

Auteur: Internet

Info: https://www.livescience.com, Jonas Enande, 9 déc 2022

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Pourquoi nous pouvons cesser de nous inquiéter et aimer les accélérateur de particules

En plongeant dans les mystères de l'Univers, les collisionneurs sont entrés dans l'air du temps et ont exploité  merveilles et  craintes de notre époque.

Le scénario semble être le début d'une mauvaise bande dessinée de Marvel, mais il se trouve qu'il éclaire nos intuitions sur les radiations, la vulnérabilité du corps humain et la nature même de la matière. Grâce aux accélérateurs de particules, les physiciens peuvent étudier les particules subatomiques en les accélérant dans de puissants champs magnétiques, puis en retraçant les interactions qui résultent des collisions. En plongeant dans les mystères de l'Univers, les collisionneurs se sont inscrits dans l'air du temps et ont nourris des émerveillements et des craintes de notre époque.

Dès 2008, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), exploité par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), a été chargé de créer des trous noirs microscopiques qui permettraient aux physiciens de détecter des dimensions supplémentaires. Pour beaucoup, cela ressemblait à l'intrigue d'un film catastrophe de science-fiction. Il n'est donc pas surprenant que deux personnes aient intenté une action en justice pour empêcher le LHC de fonctionner, de peur qu'il ne produise un trou noir suffisamment puissant pour détruire le monde. Mais les physiciens firent valoir que l'idée était absurde et la plainte fut rejetée.

Puis, en 2012, le LHC détecta le boson de Higgs tant recherché, une particule nécessaire pour expliquer comment les particules acquièrent une masse. Avec cette réalisation majeure, le LHC est entré dans la culture populaire ; il a figuré sur la pochette de l'album Super Collider (2013) du groupe de heavy metal Megadeth, et a été un élément de l'intrigue de la série télévisée américaine The Flash (2014-).

Pourtant, malgré ses réalisations et son prestige, le monde de la physique des particules est si abstrait que peu de gens en comprennent les implications, la signification ou l'utilisation. Contrairement à une sonde de la NASA envoyée sur Mars, les recherches du CERN ne produisent pas d'images étonnantes et tangibles. Au lieu de cela, l'étude de la physique des particules est mieux décrite par des équations au tableau noir et des lignes sinueuses appelées diagrammes de Feynman. Aage Bohr, lauréat du prix Nobel dont le père Niels a inventé le modèle Bohr de l'atome, et son collègue Ole Ulfbeck sont même allés jusqu'à nier l'existence physique des particules subatomiques, qui ne sont rien d'autre que des modèles mathématiques.

Ce qui nous ramène à notre question initiale : que se passe-t-il lorsqu'un faisceau de particules subatomiques se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière rencontre la chair du corps humain ? Peut-être parce que les domaines de la physique des particules et de la biologie sont conceptuellement très éloignés, ce ne sont pas seulement les profanes qui manquent d'intuition pour répondre à cette question, mais aussi certains physiciens professionnels. Dans une interview réalisée en 2010 sur YouTube avec des membres de la faculté de physique et d'astronomie de l'université de Nottingham, plusieurs experts universitaires ont admis qu'ils n'avaient aucune idée de ce qui se passerait si l'on introduisait une main à l'intérieur du faisceau de protons du LHC. Le professeur Michael Merrifield l'exprima de manière succincte : "C'est une bonne question. Je ne connais pas la réponse. Ce serait probablement néfaste pour la santé". Le professeur Laurence Eaves se montra également prudent avant de tirer des conclusions. "À l'échelle de l'énergie que nous percevons, ce ne serait pas si perceptible que cela, déclara-t-il, sans doute avec un brin d'euphémisme britannique. Est-ce que je mettrais ma main dans le faisceau ? Je n'en suis pas sûr."

De telles expériences de pensée peuvent être des outils utiles pour explorer des situations qui ne peuvent pas être étudiées en laboratoire. Il arrive cependant que des accidents malencontreux donnent lieu à des études de cas : occasions pour les chercheurs d'étudier des scénarios qui ne peuvent pas être induits expérimentalement pour des raisons éthiques. Etude de cas ici avec un échantillon d'une personne et qui ne comporte pas de groupe de contrôle. Mais, comme l'a souligné en son temps le neuroscientifique V S Ramachandran dans Phantoms in the Brain (1998), il suffit d'un seul cochon qui parle pour prouver que les cochons peuvent parler. Le 13 septembre 1848, par exemple, une barre de fer transperça la tête de Phineas Gage, un cheminot américain, et modifia profondément sa personnalité, ce qui constitue une première preuve de l'existence d'une base biologique de la personnalité.

Et puis le 13 juillet 1978, un scientifique soviétique du nom d'Anatoli Bugorski plongea sa tête dans un accélérateur de particules. Ce jour-là, Bugorski vérifiait un équipement défectueux sur le synchrotron U-70 - le plus grand accélérateur de particules d'Union soviétique - lorsqu'un mécanisme de sécurité a lâché et qu'un faisceau de protons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière lui a traversé la tête, à la manière de Phineas Gage. Il est possible qu'à ce moment de l'histoire, aucun autre être humain n'ait jamais été confronté à un faisceau de rayonnement concentré à une énergie aussi élevée. Bien que la protonthérapie - un traitement du cancer utilisant des faisceaux de protons pour détruire les tumeurs - ait été mise au point avant l'accident de Bugorski, l'énergie de ces faisceaux ne dépasse généralement pas 250 millions d'électronvolts (une unité d'énergie utilisée pour les petites particules). Bugorski aurait pu subir de plein fouet les effets d'un faisceau d'une énergie plus de 300 fois supérieure, soit 76 milliards d'électrons-volts.

Le rayonnement de protons est en effet très rare. Les protons provenant du vent solaire et des rayons cosmiques sont stoppés par l'atmosphère terrestre, et le rayonnement de protons est si rare dans la désintégration radioactive qu'il n'a été observé qu'en 1970. Les menaces plus familières, telles que les photons ultraviolets et les particules alpha, ne pénètrent pas dans le corps au-delà de la peau, sauf en cas d'ingestion d'une substance radioactive. Le dissident russe Alexandre Litvinenko, par exemple, fut tué par des particules alpha qui ne pénètrent même pas le papier lorsqu'il ingéra à son insu du polonium-210 radioactif livré par un assassin. Mais lorsque les astronautes d'Apollo, protégés par des combinaisons spatiales, furent exposés à des rayons cosmiques contenant des protons et à des formes de rayonnement encore plus exotiques, ils signalèrent des éclairs de lumière visuelle, signe avant-coureur de ce qui allait arriver à Bugorski le jour fatidique de son accident. Selon une interview publiée dans le magazine Wired en 1997, Bugorski a immédiatement vu un flash lumineux intense, mais n'a ressenti aucune douleur. Le jeune scientifique fut transporté dans une clinique de Moscou, la moitié du visage gonflée, et les médecins s'attendaient au pire.

Les particules de rayonnement ionisant, telles que les protons, font des ravages dans l'organisme en brisant les liaisons chimiques de l'ADN. Cette atteinte à la programmation génétique d'une cellule peut tuer la cellule, l'empêcher de se diviser ou induire une mutation cancéreuse. Les cellules qui se divisent rapidement, comme les cellules souches de la moelle osseuse, sont les plus touchées. Les cellules sanguines étant produites dans la moelle osseuse, par exemple, de nombreux cas d'irradiation se traduisent par une infection et une anémie dues à la perte de globules blancs et de globules rouges, respectivement. Mais dans le cas particulier de Bugorski, les radiations étaient concentrées le long d'un faisceau étroit à travers la tête, au lieu d'être largement dispersées lors des retombées nucléaires, comme cela a été le cas pour de nombreuses victimes de la catastrophe de Tchernobyl ou du bombardement d'Hiroshima. Pour Bugorski, les tissus particulièrement vulnérables, tels que la moelle osseuse et le tractus gastro-intestinal, auraient pu être largement épargnés. Mais là où le faisceau a traversé la tête de Bugorski, il a déposé une quantité obscène d'énergie de rayonnement, des centaines de fois supérieure à une dose létale selon certaines estimations.

Et pourtant, Bugorski est toujours en vie aujourd'hui. La moitié de son visage est paralysée, ce qui donne à un hémisphère de sa tête une apparence étrangement jeune. Il serait sourd d'une oreille. Il a souffert d'au moins six crises tonico-cloniques généralisées. Communément appelées crises de grand mal, ce sont les crises les plus fréquemment représentées au cinéma et à la télévision, impliquant des convulsions et une perte de conscience. L'épilepsie de Bugorski est probablement le résultat de la cicatrisation des tissus cérébraux causée par le faisceau de protons. Il souffre également de crises de petit mal ou d'absence, des crises beaucoup moins spectaculaires au cours desquelles la conscience est brièvement interrompue. Aucun cancer n'a été diagnostiqué chez Bugorski, bien qu'il s'agisse souvent d'une conséquence à long terme de l'exposition aux rayonnements.

Bien que son cerveau ait été traversé par rien de moins qu'un faisceau d'accélérateur de particules, l'intellect de Bugorski est resté intact et il a passé son doctorat avec succès après l'accident.  

Auteur: Frohlich Joel

Info: https://bigthink.com/   23 juin  2020

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