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Des physiciens utilisent l'intrication quantique pour voir l'intérieur des noyaux atomiques

Lundi, 13/02/2023 - 19:23 0 commentaire
Des physiciens utilisent l'intrication quantique pour voir l'intérieur des noyaux atomiques zoom

En utilisant la propriété d’intrication quantique des photons, des chercheurs du détecteur STAR du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis viennent de mettre au point un nouveau moyen d’utiliser le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC). Il s’agissait de "voir" avec une grande précision l’intérieur du noyau.

Ces nouveaux travaux de recherche ont débouché sur une meilleure connaissance de la distribution des particules élémentaires à l’intérieur du noyau atomique. Ils ont également permis la découverte d’un nouveau type d’intrication quantique sur des ions d’or. Le noyau de tous les atomes des éléments constitutifs de la matière contient des neutrons non chargés et des protons chargés positivement. La neutralité de l’atome s’obtient par l’intermédiaire des électrons chargés négativement qui gravitent autour du noyau atomique. Les neutrons et les protons se composent eux-mêmes de particules élémentaires appelées quarks. Un proton contient deux quarks up (u) et d’un quark down (d). Le neutron quant à lui contient un quark up (u) et de deux quarks down (d). Ces quarks sont maintenus ensemble par des gluons responsables de l’interaction forte.

Dans ces recherches, les physiciens ont utilisé le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC). C’est l’accélérateur de particules spécialisé dans des collisions entre ions lourds à vitesses relativistes, du Laboratoire national de Brookhaven. Les physiciens ont réalisé une série de fluctuations quantiques. Ils ont ainsi généré une particule intermédiaire. On l’appelle rho. On l’obtient en faisant interagir des photons avec des gluons contenus dans des noyaux d’or. Cette particule rho se désintègre en moins de quatre septillionièmes de secondes en deux mésons pi ou pions chargés positivement et négativement (π+ et π-).

Ces deux particules sont connues pour jouer avec π0 un rôle dans la cohésion du noyau atomique. Elles viennent frapper le détecteur de l’accélérateur de particules suivant une certaine vitesse et un certain angle. Cela permet d’avoir une idée précise de l’arrangement des particules et des gluons dans le noyau atomique. Le RHIC sert à étudier les collisions entre des ions lourds comme l’or ou encore le cuivre à des vitesses relativistes. Les ions se percutent à de grandes vitesses. Cela permet de "mettre à nu" les quarks et les gluons des neutrons et des protons des noyaux atomiques. Le RHIC peut alors servir également à explorer la structure des protons en réalisant de nouvelles collisions entre ces particules. Des études antérieures ont montré qu’il est possible d’utiliser des photons polarisés afin d’avoir une idée de la structure des noyaux atomiques. La lumière polarisée est donc un outil qui permet d’obtenir une image efficace des noyaux à haute énergie.

Cependant, jusque maintenant, les physiciens ne disposaient d’aucun moyen pour connaître la direction de polarisation des photons. À cause de ce problème, la densité de gluons mesurée correspondait donc à un résultat moyen obtenu par calcul en fonction de la distance par rapport au centre du noyau atomique.

Aujourd’hui, on observe l’interférence quantique entre les mésons pi π+ et π-. On l’obtient par la désintégration rapide de la particule intermédiaire rho. Grâce à cela, les physiciens peuvent mesurer de façon très précise la direction de polarisation du photon. Ils ont également mesuré les gluons le long de la direction du mouvement du photon et perpendiculairement. Au cours de cette expérience, les physiciens ont observé un nouveau type d’interaction quantique encore jamais observé auparavant. Il s’agit de l’intrication quantique entre des particules différentes, à savoir les pions π+ et les pions π-.

Les physiciens utilisent le détecteur STAR du RHIC. Ils ont ainsi pu étudier la distribution des gluons en "suivant"» les particules π+ et π-. Ces dernières proviennent de la désintégration de la particule rho. Cette dernière a été produite par les interactions entre des photons et un ion d’or. La somme des moments de ces deux particules π+ et π- donne la quantité de mouvement de la particule rho dont elles sont issues ainsi que des informations sur la distribution des gluons. Plus l’angle entre un pion pi (π+ ou π-) se rapproche de 90° et plus les chercheurs obtiennent une vue claire de la distribution des gluons.

Les particules π+ et π- connaissent un nouveau type d’intrication quantique. En réalité, dans l’expérience, lorsque deux noyaux d’or se croisent à une distance de 20 femtomètres, et que les photons ont généré une particule intermédiaire rho qui se désintègre en π+ et π-, la fonction d’onde de π- d’une désintégration interfère avec la fonction d’onde de π- de l’autre désintégration. Elles se renforcent et le détecteur ne voit alors qu’un seul pion π-. La même chose se produit avec les fonctions d’ondes des pions π+. Les fonctions d’ondes des pions π+ et des pions π- de chaque désintégration conservent les informations quantiques de leurs particules rho. Si ces pions π+ et π- n’étaient pas intriqués les fonctions d’ondes auraient une phase aléatoire sans aucun effet d’interférence détectable.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Science

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