La première intrication quantique entre des particules dissemblables permet de voir l’intérieur des noyaux atomiques

Nous ne pouvons pas littéralement voir l’intérieur d’un noyau atomique, mais une nouvelle intrication de particules subatomiques offre un aperçu sans précédent.

Le détecteur STAR du collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) a la taille d’une maison et agit comme une caméra numérique 3D géante pour suivre les particules émergeant des collisions de particules au centre du détecteur. Il a maintenant été utilisé pour mesurer la distribution des gluons dans un noyau atomique. Crédit image : Brookhaven National Laboratory

Des versions chargées positivement et négativement de la même particule ont été enchevêtrées pour la première fois, ce qui nous permet de cartographier plus précisément le cœur des atomes et ouvre les portes à des outils de communication plus puissants.

Les neutrons et les protons qui constituent les noyaux des atomes sont, à leur tour, composés de quarks. Cependant, les quarks seuls seraient instables ; ils ont besoin de gluons, les porteurs de la force forte, pour les maintenir ensemble. Les gluons sont trop petits pour être vus, même avec les microscopes les plus puissants, mais ils peuvent néanmoins interagir avec des photons pour produire des particules rho de durée de vie exceptionnellement courte qui se désintègrent en particules chargées à deux quarks appelées pions.

En mesurant les angles et la vitesse auxquels les pions positifs et négatifs (π+ et π-) émergent, les scientifiques du Brookhaven National Laboratory ont créé une carte de la distribution des gluons dans les noyaux des atomes d’or et d’uranium. Selon eux, cette carte constitue la description la plus précise du fonctionnement interne d’un noyau atomique.

“Cette technique est similaire à la façon dont les médecins utilisent la tomographie par émission de positons (TEP) pour voir ce qui se passe à l’intérieur du cerveau et d’autres parties du corps”, a déclaré l’ancien physicien de Brookhaven, le Dr Daniel Brandenburg, dans un communiqué. “Mais dans ce cas, nous parlons de cartographier des caractéristiques à l’échelle des femtomètres – des quadrillions de mètres -, soit la taille d’un proton individuel.”

La carte permet aux physiciens des particules de mieux comprendre la nature de la réalité, mais la méthode par laquelle elle a été réalisée pourrait s’avérer encore plus importante.

L’intrication quantique maintient une connexion entre des particules séparées de telle sorte qu’une modification de l’une affecte l’autre. Bien que les avancées majeures dans le domaine de l’intrication soient désormais fréquentes et qu’elles soient même récompensées par des prix Nobel, elles consistaient auparavant à augmenter le nombre de particules intriquées ou les distances sur lesquelles l’intrication se produit.

Les particules intriquées étaient généralement des électrons, identiques les uns aux autres, ou des photons. “Il s’agit de la toute première observation expérimentale d’intrication entre des particules dissemblables”, a déclaré M. Brandenburg.

Les particules intriquées peuvent être toutes deux des pions, mais leurs charges opposées les rendent faciles à distinguer les unes des autres.

La plupart des explorations du fonctionnement interne des noyaux atomiques sont réalisées dans des accélérateurs de particules qui écrasent les noyaux ensemble à une vitesse proche de celle de la lumière. Bien que l’observation des débris de ces collisions nous en apprenne beaucoup sur le comportement des particules dans des conditions extrêmes, comme peu après le Big Bang, c’est un peu comme observer les actions d’animaux dans un zoo et extrapoler sur leur comportement dans la nature. Brandenburg et ses co-auteurs cherchent à se rapprocher des noyaux dans leur habitat naturel.

Pour ce faire, ils ont fait glisser des noyaux d’or et d’uranium à des vitesses extrêmes sans qu’ils n’entrent en collision, à quelques largeurs de noyaux seulement. Chaque noyau était entouré d’un nuage de photons produit par son accélération dans un champ magnétique. Les photons d’un noyau ont interagi avec les gluons de l’autre.

Ayant précédemment démontré que les photons environnants sont polarisés, les auteurs ont pu produire une carte bidimensionnelle de la distribution des gluons, la direction de la polarisation constituant un axe. Les travaux précédents, qui ne tenaient pas compte de la polarisation, ne révélaient que la distance entre chaque gluon et le centre du noyau. Les physiciens avaient mal interprété ces résultats, de sorte que le noyau était plus gros que ce que les expériences menées autrement, et les modèles théoriques, suggéraient.

“Avec cette technique d’imagerie 2D, nous avons pu résoudre le mystère qui dure depuis 20 ans, à savoir pourquoi cela se produit”, a déclaré M. Brandenburg.

Les auteurs concluent que les mesures précédentes confondaient le momentum et l’énergie propres du photon avec ceux des gluons. Démêler les deux permet d’obtenir des cartes si claires que Brandenburg affirme : “Les images sont si précises que nous pouvons même commencer à voir la différence entre l’emplacement des protons et celui des neutrons à l’intérieur de ces gros noyaux.” Elles correspondent également beaucoup mieux aux modèles théoriques.

Comment et pourquoi les pions s’enchevêtrent reste un mystère, bien que l’article propose plusieurs explications possibles.

Les travaux sont publiés en accès libre dans la revue Science Advances.

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Source : IFLScience – Traduit par Anguille sous roche