Parfois, la découverte d’une nouvelle physique exige des niveaux d’énergie insensés. Gros engins. Équipement de fantaisie. D’innombrables heures à passer au crible des tonnes de données.
Et puis, parfois, la bonne combinaison de matériaux peut ouvrir une porte vers des royaumes invisibles dans un espace un peu plus grand qu’une table.
Prenez ce nouveau type de parent du boson de Higgs, par exemple. Il a été trouvé caché dans un morceau de cristaux de tellure en couches à température ambiante. Contrairement à son célèbre cousin, il n’a pas fallu non plus des années à briser des particules pour le repérer. Juste une utilisation intelligente de certains lasers et une astuce pour démêler les propriétés quantiques de leurs photons.
“Ce n’est pas tous les jours que vous trouvez une nouvelle particule sur votre table”, déclare Kenneth Burch, physicien du Boston College et co-auteur principal de l’étude annonçant la découverte de la particule.
Burch et ses collègues ont aperçu ce qu’on appelle un mode de Higgs axial, une agitation quantique qui est techniquement qualifiée de nouveau type de particule.
Comme tant de découvertes en physique quantique, l’observation des comportements quantiques théoriques en action nous rapproche de la découverte de fissures potentielles dans le modèle standard et nous aide même à nous concentrer sur la résolution de certains des grands mystères restants.
“La détection du Higgs axial a été prédite en physique des particules à haute énergie pour expliquer la matière noire”, explique Burch.
“Cependant, il n’a jamais été observé. Son apparition dans un système de matière condensée est tout à fait surprenante et annonce la découverte d’un nouvel état de symétrie brisée qui n’avait pas été prédit.”
Cela fait 10 ans que le boson de Higgs a été formellement identifié au milieu du carnage des collisions de particules par les chercheurs du CERN. Cela a non seulement mis fin à la chasse à la particule, mais a fermé vaguement la dernière boîte du modèle standard – le zoo de particules fondamentales constituant le complément naturel des briques et du mortier.
Avec la découverte du champ de Higgs, nous avons enfin pu confirmer notre compréhension de la façon dont les composants du modèle ont gagné en masse au repos. Ce fut une énorme victoire pour la physique, celle que nous utilisons encore pour comprendre la mécanique interne de la matière.
Alors qu’une seule particule de Higgs existe pendant à peine une fraction de seconde, c’est une particule dans le vrai sens du terme, clignotant brièvement dans la réalité comme une excitation discrète dans un champ quantique.
Il existe cependant d’autres circonstances dans lesquelles les particules peuvent conférer une masse. Une rupture dans le comportement collectif d’une poussée d’électrons appelée onde de densité de charge, par exemple, ferait l’affaire.
Cette version “monstre de Frankenstein” de Higgs, appelée mode Higgs, peut également apparaître avec des traits qui ne sont pas vus dans son cousin moins patchwork, comme un degré fini de moment cinétique (ou spin).
Un mode de Higgs spin-1 ou axial non seulement fait un travail similaire au boson de Higgs dans des circonstances très spécifiques, mais il (et des quasiparticules similaires) pourrait fournir des bases intéressantes pour étudier la masse sombre de la matière noire.
En tant que quasi-particule, le mode de Higgs axial ne peut être vu qu’émergeant des comportements collectifs d’une foule. Pour le repérer, il faut connaître sa signature au milieu d’un flot d’ondes quantiques, puis avoir un moyen de le sortir du chaos.
En envoyant des faisceaux de lumière parfaitement cohérents à partir de deux lasers à travers un tel matériau, puis en surveillant les motifs révélateurs dans leur alignement, Burch et son équipe ont découvert l’écho d’un mode Higgs axial dans des couches de tritellurure de terres rares.
“Contrairement aux conditions extrêmes généralement requises pour observer de nouvelles particules, cela a été fait à température ambiante dans une expérience de table où nous obtenons un contrôle quantique du mode en modifiant simplement la polarisation de la lumière”, explique Burch.
Il est possible que de nombreuses autres particules de ce type émergent de l’enchevêtrement de parties du corps constituant des matériaux quantiques exotiques. Avoir un moyen d’apercevoir facilement leur ombre à la lumière d’un laser pourrait révéler toute une litanie de nouvelle physique.
Cette recherche a été publiée dans Nature.
