Les particules pourraient prendre le relais des électrons et permettre des circuits électroniques hyperrapides, intéressants pour les ordinateurs quantiques.
En 1929, le génie britannique Paul Dirac (photo de gauche) a réussi à unir la mécanique quantique et la relativité restreinte dans une formule mathématique. La formule prédisait l'existence de l'antiélectron et du neutrino, particules découvertes les années suivantes. Mais aussi d'une mystérieuse particule qui ne livre ses secrets que maintenant, 85 ans après sa prédiction.
Nulle part ailleurs qu'en physique le mot "particule" n'a autant de connotations différentes. Il y a la particule dans le sens particulaire classique et délimité (la représentation en marbre, pour ainsi dire). Mais il y a aussi la particule sous forme d'onde, car en mécanique quantique toute particule est aussi un phénomène ondulatoire. Comme si cela ne suffisait pas, en physique théorique, chaque particule correspond à une "solution" mathématique d'une équation d'onde.
Équation de Dirac
L'équation d'onde la plus connue est peut-être celle de Schrödinger, la formule de base pour décrire tout système de mécanique quantique. Cependant, lorsque le physicien autrichien Erwin Schrödinger a écrit sa célèbre équation au début de 1926, il y avait une autre théorie en plus de la mécanique quantique qui dominait la physique moderne à l'époque :la théorie de la relativité d'Einstein. Pour concilier la variante restreinte de la relativité d'Einstein avec la mécanique quantique, le physicien britannique Paul Dirac a introduit une version relativiste de l'équation de Schrödinger en 1928 :l'équation de Dirac.
L'équation de Dirac est l'outil mathématique par excellence pour décrire les particules élémentaires de spin demi-entier (±1/2, ±3/2,…) – ce sont les soi-disant fermions tels que les électrons et les quarks, les briques de base de notre matière familière. En raison de leur spin demi-entier, les fermions satisfont au fameux principe d'exclusion de Pauli :des fermions identiques ne peuvent pas avoir le même état quantique. Le principe d'exclusion est donc l'une des garanties les plus importantes pour la stabilité des couches d'électrons dans l'atome.
Antimatière
Comme mentionné, les particules en physique théorique « vivent » sous la forme de solutions mathématiques. Ainsi l'équation de Dirac fournit comme solutions, entre autres, les électrons que nous connaissons bien. Les électrons étaient bien sûr connus bien avant que Dirac n'écrive son équation. Mais l'inverse ne s'est pas fait attendre :juste après les avoir inventés, Dirac a vu sortir autre chose de sa formule :des anti-électrons, c'est-à-dire des particules ayant exactement la même masse que les électrons mais avec une charge électrique opposée - appelée plus tard positrons.
C'était la première fois que la physique abordait l'antimatière. Et cela, selon Dirac, était omniprésent :chaque fermion aurait une antiparticule correspondante. Lorsqu'un électron et un positon, ou un proton et un antiproton se rencontrent, ils s'annihilent (ils s'annihilent, convertissant complètement les deux masses en énergie selon la loi d'Einstein E =mc²). Lorsque, grâce à Dirac, les physiciens savaient ce qu'il fallait chercher, il ne fallut pas longtemps pour que le positon soit effectivement découvert dans une expérience :l'Américain Carl Anderson l'a trouvé en 1932.
La solution de Weyl
L'équation de Dirac était entre-temps devenue le jouet préféré des physiciens théoriciens. Le défi consistait à trouver des solutions à l'équation (pas une mince affaire, soit dit en passant) qui, espérons-le, pourraient alors nous dire quelque chose sur une autre, encore une autre matière à découvrir. En 1929, c'est au tour du physicien allemand Hermann Weyl, qui vit en Suisse. Il a trouvé une solution à l'équation de Dirac qui représente une particule complètement sans masse (comme un photon). Immédiatement, la rumeur s'est mise à tourner dans le monde de la physique :de quel type de particule s'agit-il ?
Un an plus tard, en 1930, l'homme à l'origine du principe d'exclusion, l'Autrichien Wolfgang Pauli, proposa d'appeler plus précisément cette particule le neutrino. Après tout, Pauli avait besoin du neutrino pour pouvoir expliquer la désintégration bêta radioactive (dans laquelle un neutron est converti en un proton et un électron). Le neutrino a assuré le respect des lois de conservation de l'énergie et du moment cinétique dans cette désintégration. La proposition de Pauli a été largement acceptée et sa concoction est devenue incontournable dans les manuels de physique. Pourtant, il a fallu des années avant que le neutrino puisse être détecté efficacement.
Masse immobile
En effet, ce n'est qu'en 1957 que les Américains Frederick Reines et Clyde Cowan ont pu détecter le neutrino. Mais il faudrait beaucoup plus de temps à la mystérieuse particule pour révéler toutes ses propriétés. À partir des années 1980, des spéculations ont commencé à surgir selon lesquelles le neutrino avait une masse, bien qu'incommensurablement petite. Et en effet, en 1998, le verdict tant attendu tombe :une équipe de physiciens japonais annonce que la particule a bien une masse autre que zéro.
Pendant ce temps, la solution originale de l'équation de Dirac trouvée par Hermann Weyl avait bien sûr été complètement éclipsée. A tort, car maintenant que l'on sait que le neutrino a bien une masse, il ne peut bien sûr pas s'agir de la particule qu'il avait en tête à l'époque. Pour quelle particule vraiment sans masse Weyl avait-il trouvé une solution ?
Fermion de Weyl
Pour le fermion de Weyl, comme il ressort d'une série d'articles publiés cette semaine dans la revue Science. se tenir debout. Non pas que quiconque ait même entendu parler de la particule la semaine dernière. À l'exception d'un petit groupe de physiciens américains, chinois et taïwanais qui ont apparemment suivi la particule pendant des années et l'ont maintenant découverte - 85 ans après qu'elle a été prédite par Hermann Weyl.
Le groupe de chercheurs n'a pas trouvé le boson de Weyl de la manière dont la plupart des particules élémentaires sont découvertes :dans les retombées des collisions de particules à haute énergie dans des accélérateurs géants comme le LHC au CERN (Genève) ou le Tevatron au Fermilab (Chicago). Non, ils ont trouvé des traces de la particule dans une structure cristalline ordinaire (fabriquée artificiellement) composée de tantale et d'arsenic.
Parce qu'ils n'ont pas de masse, les fermions de Weyl peuvent traverser un matériau conducteur beaucoup plus rapidement que les électrons. De plus, ils sont moins gênés par des obstacles tels que des impuretés dans le matériau. Les chercheurs qui ont découvert les particules réfléchissent immédiatement aux applications. Par exemple, ils pourraient reprendre le rôle des électrons et peut-être rendre possibles des circuits électroniques hyperrapides - intéressants pour les concepteurs, par exemple, d'ordinateurs quantiques.
