Des preuves «jalons» pour Anyons, un troisième royaume des particules

Chaque dernière particule de l’univers – d’un rayon cosmique à un quark – est soit un fermion, soit un boson. Ces catégories divisent les blocs de construction de la nature en deux royaumes distincts. Maintenant, les chercheurs ont découvert les premiers exemples d’un troisième règne de particules.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la rédaction de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension du public des sciences en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

Les anyons, comme ils sont connus, ne se comportent pas comme des fermions ou des bosons; au lieu de cela, leur comportement se situe quelque part au milieu. Dans un récent article publié dans Science, les physiciens ont trouvé la première preuve expérimentale que ces particules ne rentrent dans aucun des deux règnes. « Nous avions des bosons et des fermions, et maintenant nous avons ce troisième royaume », a déclaré Frank Wilczek, physicien lauréat du prix Nobel au Massachusetts Institute of Technology. « C’est absolument une étape importante. »

Qu’est-ce qu’un Anyon?

Pour comprendre les royaumes quantiques, pensez à un dessin de boucles. Imaginez deux particules indiscernables, comme des électrons. Prenez-en un, puis enroulez-le autour de l’autre pour qu’il se retrouve à son point de départ. Rien ne semble avoir changé. Et en effet, dans le langage mathématique de la mécanique quantique, les deux fonctions d’onde décrivant les états initial et final doivent être égales ou désactivées par un facteur de -1. (En mécanique quantique, vous calculez la probabilité de ce que vous observez en mettant au carré cette fonction d’onde, donc ce facteur de -1 disparaît.)

Si les fonctions d’onde sont identiques, vos particules quantiques sont des bosons. S’ils sont décalés d’un facteur de -1, vous avez des fermions. Et bien que la dérivation puisse sembler être un exercice purement mathématique, elle a de profondes conséquences physiques.

Les fermions sont les membres antisociaux du monde des particules. Ils n’occupent jamais le même état quantique. Pour cette raison, les électrons, qui sont des fermions, sont forcés dans les coquilles atomiques variées autour d’un atome. De ce phénomène simple découle la majeure partie de l’espace dans un atome, l’étonnante variété du tableau périodique et toute la chimie.

Les bosons, en revanche, sont des particules grégaires, heureuses de se regrouper et de partager le même état quantique. Ainsi, les photons, qui sont des bosons, peuvent se traverser, ce qui permet aux rayons lumineux de voyager librement sans se disperser.

Mais que se passe-t-il si, lorsque vous bouclez une particule quantique autour d’une autre, vous ne revenez pas au même état quantique? Pour comprendre cette possibilité, nous devons faire une brève digression dans la topologie, l’étude mathématique des formes. Deux formes sont topologiquement équivalentes si l’une peut être transformée en l’autre sans aucune découpe ni collage. Un beignet et une tasse de café, dit le vieil adage, sont topologiquement équivalents, car l’un peut être façonné doucement et en continu dans l’autre.

Considérez la boucle que nous avons faite lorsque nous avons fait tourner une particule autour de l’autre. En trois dimensions, vous pouvez réduire cette boucle jusqu’à un certain point. Du point de vue topologique, c’est comme si la particule n’avait pas bougé du tout.

Illustration: Infographie 5W

En deux dimensions, cependant, la boucle ne peut pas rétrécir. Il se coince sur l’autre particule. Vous ne pouvez pas réduire la boucle sans la couper dans le processus. En raison de cette restriction – que l’on ne trouve qu’en deux dimensions – boucler une particule autour d’une autre n’est pas équivalent à laisser la particule au même endroit.

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Written by Naruto Uzumaki

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