Trois façons dont les physiciens créent leur propre chance

Parfois, les physiciens ont vraiment de la chance. Une expérience peut donner des résultats attendus, comme lorsqu’Ernest Röntgen a découvert les rayons X par hasard en étudiant les rayons cathodiques. Mais ils sont aussi doués pour créer leur propre chance. En utilisant des astuces mathématiques et les règles de la mécanique quantique, les physiciens font pencher la balance en leur faveur, que ce soit pour détecter les ondes gravitationnelles ou pour fabriquer des horloges atomiques toujours plus précises.

Les expériences de haute technologie actuelles nécessitent souvent de faire des détections à des échelles si infinitésimales que les physiciens « mettre toutes les chances de leur côté » pour augmenter leurs chances de réussite. Qu’il s’agisse d’intrication de particules ou de « compression » pour obtenir de meilleurs résultats, les physiciens ont découvert de nouvelles méthodes pour créer des capteurs précis qui nous aide à en apprendre davantage sur notre univers.

1. Détection des ondes gravitationnelles grâce à la compression quantique

Les ondes gravitationnelles sont si difficiles à détecter que LIGO, un détecteur d’ondes gravitationnelles situé aux États-Unis, recherche des mouvements 10 000 milliards de fois plus petits qu’un cheveu humain. Ces mouvements sont si petits que le principe d’incertitude, un des principes fondamentaux de la mécanique quantique, devient problématique.

Selon le principe d’incertitude, certaines paires de propriétés physiques, comme la position et la quantité de mouvement, sont limitées. Plus la position est mesurée avec précision, par exemple, moins la quantité de mouvement peut être connue avec précision. Pour LIGO, les chercheurs ont recours à la manipulation du principe d’incertitude grâce à un processus appelé « compression quantique » afin de détecter les ondes gravitationnelles.

LIGO a publié une excellente courte vidéo explicative sur la compression quantique. Ce processus consiste à augmenter l’incertitude sur un aspect de la lumière, soit l’amplitude ou la phase, afin de diminuer l’incertitude sur l’autre, ce qui permet des détections plus précises. LIGO procède ainsi à la fois aux hautes et aux basses fréquences pour garantir les détections les plus précises possibles.

2. Utiliser l’intrication pour fabriquer des horloges atomiques plus précises

Une autre façon pour les physiciens de « mettent toutes les chances de leurs côtés » repose sur l’intrication quantique, un phénomène où des particules partagent un même état commun, de sorte que la mesure de l’une détermine instantanément l’état des autres.

Lors d’une expérience avec de nombreuses particules individuelles, chaque particule émet un signal faible et bruyant qui nécessite des essais répétés pour observer un effet clair. 

Mais si l’on parvient à préparer des particules dans des états intriqués spécifiques, leurs probabilités de détection ensemble deviennent plus fortement corrélées.

L’intrication a été explorée dans le but d’améliorer la précision des horloges atomiques. Actuellement, les horloges atomiques utilisent des lasers pour mesurer les vibrations des atomes, qui oscillent à une fréquence constante. En intriquant les particules, les chercheurs ont toutefois démontré qu’ils pouvaient réduire les erreurs de mesure causées par l’incertitude statistique inhérente à la mécanique quantique. En agissant comme un groupe intriqué, les lasers effectuent des détections plus précises, ce qui améliore la précision des horloges atomiques. 

3. Recherche de matière noire et de neutrinos cosmiques grâce à la diffusion élastique cohérente 

Les neutrinos sont des particules si petites et si peu massives qu’elles peuvent traverser du plomb massif sur une distance d’une année-lumière avant de heurter quoi que ce soit. Cela les rend pratiquement impossibles à détecter. Actuellement, l’augmentation de la taille des détecteurs de neutrinos comme SNOLAB en Ontario entraîne une augmentation proportionnelle des chances de détection, un peu comme si l’on utilisait un filet plus grand pour pêcher.

Mais que se passerait-il si l’on pouvait augmenter les chances de détection de façon exponentielle plutôt que proportionnelle? 

Asimina Arvanitaki, titulaire de la chaire Aristarchus de physique théorique de la Fondation Stavros Niarchos à l’Institut Périmètre « Perimeter Institute (PI) », et ses collègues chercheurs ont exploré la diffusion élastique cohérente pour élaborer une théorie permettant d’augmenter exponentiellement le nombre de détections. Cela pourrait révolutionner la manière dont les expérimentateurs recherchent la matière noire et les neutrinos cosmiques.

Lorsque les atomes subissent une interaction à haute énergie, la quantité d’impulsion qu’ils transfèrent facilite leur localisation. En revanche, lorsque les particules subissent des interactions faibles, elles ne transfèrent qu’une faible quantité d’impulsion, ce qui, en raison du principe d’incertitude, rend difficile la localisation de l’interaction.

Arvanitaki et son équipe ont démontré que la diffusion élastique cohérente permet d’élever au carré le nombre de réactions. En effet, le neutrino de faible énergie se diffuse sur un noyau entier comme un seul objet, provoquant un léger recul. Si l’on prépare l’expérience de manière adéquate, on peut détecter ce recul, ce qui augmente le nombre de détections de manière exponentielle.

Alors, si vous êtes un scientifique en herbe, n’attendez pas que la chance vous sourit. Lancez-vous et créez vos propres expériences!