Si l’on pensait que les particules élémentaires ne peuvent être divisées, des chercheurs suggèrent que tronquer un photon pourrait générer une infinité d’autres particules. Cet effet contre-intuitif serait possible en utilisant un obturateur optique ultra-rapide pouvant être activé ou désactivé afin d’interrompre une impulsion lumineuse lorsqu’elle se propage dans l’espace sous la forme d’une onde étendue. Il en résulterait une superposition quantique d’états générant chacun une infinité de photons simultanément.
Les particules élémentaires, par définition et selon le Modèle standard de la physique, ne devraient pas être divisibles pour former des particules plus petites. L’appellation « élémentaire » provient notamment du fait qu’elles ne sont pas constituées de sous-éléments plus petits, contrairement aux atomes et aux molécules, qui sont des assemblages de particules élémentaires.
Pouvoir diviser une particule élémentaire reviendrait donc à aller à l’encontre du Modèle standard. Cependant, il est possible de scinder une impulsion lumineuse, c’est-à-dire un flux de photons, en plaçant par exemple un obturateur optique sur sa trajectoire. Comme les objets quantiques peuvent manifester des propriétés ondulatoires et corpusculaires (dualité onde-corpuscule), les photons peuvent se propager sous la forme d’une onde étendue dans l’espace.
Il devrait donc, en théorie, être également possible d’interrompre ou de tronquer cette onde associée au photon et ainsi modifier son état quantique. Pourtant, bien qu’en apparence simple, la question est peu étudiée en physique. Des physiciens de l’Université d’Oslo, en Norvège, ont étudié théoriquement les conséquences de la troncature d’un état photonique.
« Outre son intérêt fondamental, nous montrerons ci-dessous qu’elle [la question de scinder un photon en deux] a également des implications pour notre compréhension des états localisés et de l’équivalence locale en théorie quantique des champs », écrivent les chercheurs dans leur étude détaillée dans Physical Review Letters.
L’émergence paradoxale d’une infinité de photons
Pour explorer la scission d’un photon, les chercheurs de l’étude ont analysé ce qui se produirait si un photon traversait un obturateur optique, c’est-à-dire un miroir ultrarapide qui pourrait être désactivé ou réactivé à la demande afin de bloquer la trajectoire d’une onde lumineuse. Cette dernière pourrait être interceptée à mi-chemin de sa trajectoire si l’obturateur est suffisamment rapide, scindant ainsi le photon en deux parties distinctes dans la description théorique du système.
Afin d’identifier les processus attendus, les chercheurs ont utilisé des équations quantiques décrivant le comportement du champ électromagnétique généré par le photon à l’échelle quantique. Cette approche permettrait de suivre avec précision la modification de l’état quantique du photon induite par l’action de l’obturateur.
Les résultats ont révélé que, plutôt que de produire un photon d’un côté et un vide de l’autre, ou encore un photon scindé en deux autres plus petits, l’action de l’obturateur générerait une superposition d’états contenant simultanément une infinité de photons. Les auteurs précisent toutefois qu’il s’agit d’une infinité au sens mathématique du modèle théorique utilisé. D’après les physiciens, cela s’expliquerait par le fait qu’en mécanique quantique, l’espace vide n’est pas réellement vide mais traversé par des fluctuations quantiques des champs.
L’activation rapide de l’obturateur perturberait ces fluctuations de sorte que de nouveaux photons se forment spontanément de part et d’autre. « Une particule élémentaire comme un photon ne peut être coupée en deux. Pourtant, il est possible de tronquer un photon à l’aide d’un obturateur optique », expliquent les chercheurs dans leur étude.
« Le résultat n’est ni un autre photon, ni un mélange de photon et de vide. Il s’agit plutôt d’une superposition et d’un mélange de photons en nombre infini. Cet état est assez complexe, mais néanmoins localement équivalent à un photon unique ou au vide, respectivement à gauche et à droite d’une étroite région de transition. »
Les photons n’émergeraient ainsi pas directement d’une source de particules distincte, mais d’un effet quantique associé à la modification rapide des conditions imposées par l’obturateur, dont le fonctionnement requiert lui-même une intervention physique. À noter cependant que si l’on observait immédiatement les régions de part et d’autre de l’obturateur, l’état serait indiscernable d’un photon isolé d’un côté et d’un vide de l’autre. L’infinité de photons produits n’apparaîtrait qu’en considérant les corrélations quantiques entre les deux régions séparées par l’obturateur.
Dans une prochaine étape, l’équipe prévoit d’explorer davantage ces phénomènes en étudiant s’ils peuvent également s’appliquer à plusieurs photons ou à d’autres particules élémentaires, comme les électrons.
