Cela fait exactement 80 ans que le physicien théoricien Ettore Majorana a prédit qu’il existait des particules chargées neutres impossibles à distinguer de leur propre antiparticule. Aucune n’a été observée dans la nature, et ce n’est pas faute d’avoir cherché.
Les physiciens disposent désormais d’un système semblable à une particule qui se comporte exactement comme le type de matière prédit par Majorana. Non seulement cette découverte apporte une preuve expérimentale de l’existence de ces particules uniques, mais elle pourrait avoir des applications dans l’avenir de l’informatique quantique.
Les chercheurs de Stanford et de l’université de Californie ont fait cette découverte en forçant des électrons à circuler dans des directions opposées le long des bords d’un sandwich de matériaux supraconducteurs pour donner naissance collectivement à des paires de ce que l’on appelle des quasi-particules.
Ne vous laissez pas tromper par le fait que les quasi-particules ne sont pas de véritables particules ; elles comptent quand même comme preuve de certains phénomènes.
En appliquant un champ magnétique à ces couples de particules pendant qu’ils se déplacent, ils ralentissent et changent de direction par étapes distinctes, une caractéristique qui a été exploitée pour repérer un type de comportement qui est la signature des particules de Majorana.
notre équipe a prédit exactement où trouver le fermion de Majorana et ce qu’il faut rechercher comme signature expérimentale “pistolet fumant””, explique Shoucheng Zhang, chercheur à Stanford.
En hommage, ils ont baptisé leurs découvertes “particules d’ange”, d’après le thriller de Dan Brown, Antimatière. Anges et Démons, qui met en scène une bombe faite d’antimatière, est un film de science-fiction
Si vous avez déjà regardé un film de science-fiction (ou lu un roman de Dan Brown), vous avez peut-être rencontré cette histoire d’antimatière.
En termes simples, pour chaque type de particule fondamentale dans l’Univers, il existe l’équivalent d’un jumeau maléfique, doté d’une charge opposée ; l’électron, par exemple, chargé négativement, a pour antiparticule un positron chargé positivement.
En réunissant ces deux particules, elles annulent leur existence respective et ne laissent derrière elles qu’un intense rayonnement gamma.
C’est cet énorme amas de rayonnements qui a servi de carburant à l’imagination de toutes sortes de moteurs de vaisseaux spatiaux futuristes et d’hypothétiques armes de destruction massive.
Les particules et les antiparticules peuvent aussi aller dans l’autre sens, en naissant ensemble dans une concentration d’énergie telle que celle qui existe dans les collisionneurs de particules, et c’est ainsi que les physiciens les étudient aujourd’hui.
Majorana s’est dit qu’il devait y avoir des particules qui sont leur propre antiparticule dans la classe fondamentale de la matière connue sous le nom de neutrinos, et les quarks qui composent les protons et les neutrons. fermions, qui comprennent des choses comme les électrons,
Ces particules de Majorana peuvent également être créées en paire, mais elles seraient identiques et ne s’effaceraient pas mutuellement si elles étaient réunies à nouveau.
Les photons sont de bons exemples d’antiparticules, mais ils ne sont pas des fermions.
Les neutrons, en revanche, seraient d’excellents candidats, puisqu’ils sont déjà neutres. Malheureusement, si les neutrons sont réunis avec des anti-neutrons, leur groupe de quarks opposés s’annihile toujours.
Un autre candidat intéressant est constitué par les minuscules fragments de matière presque sans masse appelés neutrinos.
Étant donné la difficulté de détecter ces particules fantômes, la question de savoir si elles peuvent être considérées comme des fermions de Majorana n’est pas encore tranchée, et le sera encore pendant un certain temps.
Il pourrait s’avérer que ces particules n’existent tout simplement pas dans l’Univers, du moins pas en dehors d’expériences comme celles-ci.
Cela ne veut pas dire que ces résultats n’ont rien à voir avec la recherche de “vraies” particules de Majorana.
“Là où cela devient plus intéressant, c’est que les analogies en physique se sont avérées très puissantes. Et même s’il s’agit de bêtes très différentes, de processus différents, peut-être pouvons-nous utiliser l’un pour comprendre l’autre. Peut-être découvrirons-nous quelque chose d’intéressant pour nous aussi”, explique le chercheur Giorgio Gratta, également de Stanford.
Même si les résultats ne sont pas choquants, l’ingénierie de l’expérience elle-même a suscité l’intérêt des physiciens.
La technologie pourrait être utilisée à l’avenir comme moyen de réduire le risque qu’une particule dans un ordinateur quantique perde ses informations. Une quasi-antiparticule de secours pourrait être la solution idéale pour rendre le système plus robuste.
Le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek, qui n’a pas participé aux recherches, a salué l’ingéniosité de l’équipe.
“Ce n’est pas fondamentalement surprenant, car les physiciens pensaient depuis longtemps que des fermions de Majorana pouvaient surgir des types de matériaux utilisés dans cette expérience”, déclare Wilczek.
“Mais ils ont réuni plusieurs éléments qui n’avaient jamais été mis ensemble auparavant, et l’ingénierie des choses pour que ce nouveau type de particule quantique puisse être observé de manière propre et robuste est une véritable étape importante.”
Cette recherche a été publiée dans Science.