Des chercheurs ont démontré mathématiquement l’existence des « paraparticules », un type de particules exotiques auparavant considéré comme impossible, défiant les classifications conventionnelles. En utilisant des équations mathématiques avancées, l’équipe a montré qu’elles sont entièrement compatibles avec les contraintes connues de la physique. Ces nouveaux résultats pourraient mener à des applications intéressantes dans le domaine de l’informatique quantique.
La mécanique quantique a longtemps supposé que les particules ne pouvaient être classées qu’en deux groupes en fonction de leurs comportements : les fermions et les bosons. Les bosons sont des particules subatomiques de spin entier obéissant à la statistique de Bose-Einstein (désignant la distribution statistique des bosons indiscernables en fonction des états d’énergie d’un système à l’équilibre thermodynamique), tandis que les fermions possèdent un spin demi-entier.
Les fermions (leptons et quarks) constituent les particules élémentaires composant la matière, tandis que les bosons (photons, gluons, gravitons, etc.) sont les vecteurs de force liant la matière. Les bosons peuvent se regrouper en nombre illimité dans un même état quantique, tandis qu’un seul fermion peut occuper un état donné.
Ce comportement des fermions est responsable du phénomène selon lequel pas plus de deux électrons (de spins opposés) peuvent occuper la même orbitale atomique (la région tridimensionnelle d’un atome où un électron est le plus susceptible de demeurer). « Ce comportement est responsable de toute la structure du tableau périodique », explique dans un article de blog de l’Université Rice (au Texas), Kaden Hazzard, coauteur de la nouvelle étude.
Les physiciens ont commencé à explorer la possibilité d’existence d’autres types de particules qui ne seraient ni des bosons ni des fermions, dans les années 1930 et 1940. Appelées « paraparticules », elles sont largement étudiées dans le domaine de la physique théorique des hautes énergies. Cependant, certains mathématiciens ont suggéré dans les années 1970 que ces paraparticules pourraient être simplement des bosons ou des fermions dotés de caractéristiques inhabituelles. Les anions, un type de particules exotiques spécifique aux systèmes à deux dimensions et qui ne sont ni des bosons ni des fermions, sont peut-être les seules exceptions.
Cependant, les théories avancées dans les années 1970, ainsi que celles qui ont suivi, reposent sur des hypothèses qui ne sont pas nécessairement compatibles avec les systèmes physiques. Kaden et son collègue, Zhiyuan Wang, un ancien étudiant diplômé de l’Université Rice et actuellement chercheur post-doctorant à l’Institut Max Planck d’optique quantique (en Allemagne), ont récemment démontré pour la première fois que les paraparticules peuvent exister tout en respectant les contraintes connues de la physique. « Nous avons déterminé que de nouveaux types de particules dont nous n’avions jamais entendu parler auparavant sont possibles », affirme Hazzard.
Un comportement étrange différant des bosons et des fermions
Pour développer leur théorie, le duo de chercheurs s’est concentré sur les excitations dans les systèmes de matière condensée, tels que les aimants. Les excitations peuvent être considérées comme des particules et permettraient de fournir des exemples fiables de la manière dont les paraparticules pourraient émerger dans la nature. « Les particules ne sont pas seulement des éléments fondamentaux, elles sont également importantes pour décrire les matériaux », explique Hazzard.
Pour modéliser leurs systèmes de matière condensée, ils ont utilisé des équations mathématiques avancées, telles que l’équation de Yang-Baxter (décrivant les échanges de particules), l’algèbre de Lie, l’algèbre de Hopf et la théorie des représentations. Afin de mieux diriger les équations selon les systèmes de matière condensée, ils ont utilisé une méthode picturale basée sur les diagrammes de réseau tensoriel. « Il s’agit d’une recherche interdisciplinaire qui implique plusieurs domaines de la physique théorique et des mathématiques », indique Wang.
Ils ont démontré que les paraparticules peuvent émerger naturellement dans les systèmes de matière condensée, en tenant compte des lois existantes de la physique. Contrairement aux fermions et aux bosons, elles se comporteraient de manière étrange lorsqu’elles échangent leurs positions avec les états internes des particules lorsque celles-ci transmutent.
« Cela met en évidence la potentielle existence d’un nouveau type de quasiparticule dans les systèmes de matière condensée et, de manière plus spéculative, celle de types de particules élémentaires jusqu’à présent ignorés », indiquent les chercheurs dans leur document, publié dans la revue Nature.
Toutefois, il s’agit de résultats préliminaires et un développement plus approfondi est nécessaire pour aboutir aux théories pouvant guider les expériences de détection des paraparticules dans les systèmes de matière condensée. « Pour réaliser des expériences sur les paraparticules, nous avons besoin de propositions théoriques plus réalistes », précise Wang.
La détection de ces nouveaux types de particules et les nouvelles propriétés des matériaux qui pourraient en découler pourraient être très utiles à l’informatique quantique. Il serait par exemple possible de communiquer des informations chiffrées en manipulant les états internes des particules. Ces applications potentielles sont toutefois, pour le moment, spéculatives. « Je ne sais pas où cela nous mènera, mais je sais que ce sera passionnant de le découvrir », conclut Hazzard.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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