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Un nouvel outil pour interroger la matière fondamentale

Publié le 16 septembre 2019 Mis à jour le 15 octobre 2019

L’origine de la matière reste une question complexe et non-résolue. Une nouvelle approche expérimentale permettrait de mieux tester les théories des physiciens.

Quarks, bosons, électrons … Identifier les constituants élémentaires de la matière et la manière dont ils interagissent entre eux est l’un des plus grands enjeux de la physique moderne. Résoudre cette énigme complexe permettrait de mieux comprendre l’histoire des premiers jours de l’Univers mais aussi de déchiffrer les états exotiques de la matière, comme la supraconductivité.

Outre les états gazeux, liquide et solide, la matière peut en effet adopter d’autres états lorsque celle-ci est soumise à des conditions extrêmes. De telles situations eurent lieu peu de temps après le Big Bang, mais peuvent également être reproduites au laboratoire.

Alors que de nombreuses particules élémentaires ont été découvertes dans des collisionneurs de haute énergie, les questions complexes de leurs interactions et de l’existence de nouveaux états de la matière restent encore sans réponse.

Dans une recherche menée avec le groupe expérimental d’Immanuel Bloch, Monika Aidelsburger et Christian Schweizer (Munich) et les théoriciens Eugene Demler et Fabian Grusdt (Harvard), Nathan Goldman et Luca Barbiero (Physique des Systèmes Complexes et Mécanique Statistique, Faculté des Sciences) proposent et valident une nouvelle approche expérimentale pour étudier ces riches phénomènes.

Publiés dans Nature Physics, ces travaux portent sur la réalisation expérimentale d’une "théorie de jauge sur réseau", un modèle théorique proposé par Kenneth Wilson - prix Nobel de Physique de 1982 - pour décrire les interactions entre les particules élémentaires, comme les quarks et les gluons.

Les chercheurs démontrent que leur dispositif expérimental, un gaz d’atomes ultrafroids manipulés par des lasers, permet en effet de reproduire les caractéristiques de ce modèle simple aux propriétés remarquables.

Le défi majeur consistait à générer des interactions bien définies entre les particules de "matière" et les "bosons de jauge", qui sont les médiateurs des forces élémentaires. Dans le contexte des atomes ultrafroids, ces deux types de particules sont représentés par des états atomiques distincts, qui peuvent être contrôlés par des lasers.

Cette nouvelle approche expérimentale constitue une étape importante pour développer des simulateurs quantiques de théories plus sophistiquées, en vue de résoudre l’une des grandes questions de la physique moderne.

Image: © Christoph Hohmann (LMU/MCQST)

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