La découverte du boson de Majorana démontre que les photons peuvent être « divisés » en deux. Crédit : Animation par LaDarius Dennison
La recherche prédit l’existence d’une particule auparavant inimaginable.
Lorsque le physicien italien Ettore Majorana a suggéré que les électrons pouvaient être divisés en deux il y a près d’un siècle, l’idée révolutionnaire a été largement sous-estimée. Il sert maintenant de pierre angulaire de la physique.
Tirant parti de la même curiosité que Majorana, des chercheurs du Viola Research Group de Dartmouth prédisent que des photons divisés peuvent également exister.
“Il s’agit d’un changement de paradigme majeur dans la façon dont nous comprenons la lumière d’une manière que l’on ne croyait pas possible”, a déclaré Lorenza Viola, professeure de physique de la famille James Frank. “Non seulement nous avons trouvé une nouvelle entité physique, mais c’en était une que personne ne croyait pouvoir exister.”
La découverte théorique du photon divisé – connu sous le nom de « boson Majorana » – fait progresser la compréhension fondamentale de la lumière et de son comportement. La recherche décrivant la découverte a été publiée ce mois-ci dans Lettres d’examen physique.
De gauche à droite, Vincent Flynn, Guarini ’22, du groupe de recherche Viola, et Lorenza Viola, professeur de physique de la famille James Frank. Crédit : Photo par Eli Burakian ’00
“Chaque photon peut être considéré comme la somme de deux moitiés distinctes”, explique Vincent Flynn, Guarini ’22, l’auteur principal de l’article. « Nous avons pu identifier les conditions pour isoler ces moitiés les unes des autres. »
Semblable à la façon dont l’eau liquide peut se transformer en glace ou en vapeur dans des conditions spécifiques, la recherche indique que la lumière peut également exister dans une phase différente – une phase où les photons apparaissent comme deux moitiés distinctes.
« L’eau est de l’eau quelle que soit sa forme liquide ou solide. Il se comporte simplement différemment selon les conditions physiques », a déclaré Viola. “C’est ainsi que nous devons aborder notre compréhension de la lumière – comme la matière, elle peut exister en différentes phases.”
“Nous avons divisé quelque chose que l’on pensait auparavant indissociable, et nous ne regarderons jamais la lumière de la même manière.”
– Lorenza Viola, professeur de physique de la famille James Frank
Plutôt que des pièces qui peuvent être physiquement séparées, les moitiés de photons sont similaires aux deux faces d’une pièce de monnaie. Les deux parties distinctes forment un tout, mais elles peuvent être décrites et fonctionner comme des unités distinctes.
La théorie, co-écrite par Emilio Cobanera, professeur assistant invité de physique et d’astronomie, a été développée à Wilder Hall, le même bâtiment qui abritait le laboratoire où des recherches historiques au début des années 1900 ont mesuré la pression de rayonnement de la lumière.
“En tant que scientifique en début de carrière, il est incroyablement gratifiant de s’appuyer sur les idées de géants comme Majorana et de pouvoir le faire dans un département avec un lien historique aussi profond avec la physique de la lumière”, a déclaré Flynn.
La nouvelle théorie repose sur des cavités à fuite d’énergie remplies de paquets quantiques de lumière et prédit que des moitiés de particules apparaissent sur les bords d’une telle plate-forme synthétique.
Une expérience en laboratoire est encore nécessaire pour confirmer que les photons peuvent exister sous cette forme divisée auparavant inimaginable. Contrairement aux structures massives construites pour détecter le célèbre boson de Higgs, un test pour détecter les moitiés de photons pourrait être effectué sur une table en utilisant une technologie existante ou à court terme.
Selon l’équipe de recherche, la recherche ouvre la voie à la découverte de nouvelles phases exotiques de matière et de lumière. Il est difficile de prédire comment les résultats peuvent être appliqués, mais le boson de Majorana pourrait soutenir l’informatique quantique, capteurs optiques et amplificateurs de lumière.
« Pour faire cette découverte, nous avons dû remettre en question des croyances de longue date et vraiment sortir des sentiers battus », explique Viola. “Nous avons divisé quelque chose que l’on pensait auparavant indissociable, et nous ne regarderons jamais la lumière de la même manière.”
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Une nouvelle recherche prédit l’existence d’une particule auparavant inimaginable.
Référence : « Topology by Dissipation : Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics » par Vincent P. Flynn, Emilio Cobanera et Lorenza Viola, 10 décembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.245701
