La physique quantique, un domaine qui ne cesse de nous surprendre, a encore frappé. Une découverte majeure a été réalisée par une collaboration internationale de chercheurs : l’existence d’un objet appelé ‘anneau Alice’, qui pourrait bien être la porte d’entrée vers un autre monde. Cette découverte, publiée dans Nature Communications, confirme une théorie vieille de plusieurs décennies sur la désintégration des monopôles magnétiques.
Les bases théoriques de cette découverte
La collaboration entre les professeurs Mikko Möttönen de l’université d’Aalto et David Hall du Amherst College a permis de réaliser une avancée majeure dans le domaine de la physique quantique. « C’était la première fois que notre collaboration était capable de créer des anneaux Alice dans la nature, ce qui était un accomplissement monumental », a déclaré Möttönen. Cette recherche fondamentale ouvre de nouvelles portes pour comprendre comment ces structures et leurs analogues en physique des particules fonctionnent dans l’univers, a ajouté David Hall.
Les monopôles magnétiques, ces particules portant une seule charge magnétique, positive ou négative, sont un concept insaisissable dans le domaine de la physique quantique. En 2014, la collaboration Monopole a prouvé l’existence d’un analogue quantique du monopôle magnétique et a isolé des monopôles quantiques en 2015. En 2017, ils ont finalement observé l’un se désintégrer en l’autre.
La réalisation d’un vrai monopôle
La réalisation d’un vrai monopôle s’est avérée être une tâche définissant une carrière. Pour y parvenir, la collaboration Monopole a manipulé un gaz de rubidium préparé dans un état non magnétique proche du zéro absolu. Dans ces conditions extrêmes, ils ont ensuite pu créer un monopôle en dirigeant un point zéro d’un champ magnétique tridimensionnel dans le gaz quantique.
Ces monopôles quantiques sont éphémères par nature, se désintégrant quelques millisecondes après leur création. C’est dans cette instabilité que l’anneau d’Alice prend forme. « Imaginez le monopôle comme un œuf en équilibre au sommet d’une colline », a déclaré Möttönen. « Les moindres perturbations peuvent l’envoyer s’écraser. De la même manière, les monopôles sont soumis à du bruit qui déclenche leur désintégration en anneaux d’Alice. »
L’anneau d’Alice : une passerelle vers un monde d’antimatière
Le groupe de recherche a réussi à simuler des anneaux d’Alice stables pendant 84 millisecondes – plus de 20 fois plus longtemps que la durée de vie du monopôle. Cette découverte a suscité un optimisme quant aux expériences futures qui pourraient révéler des propriétés encore plus particulières des anneaux d’Alice.
« De loin, l’anneau d’Alice ressemble juste à un monopôle, mais le monde prend une forme différente lorsqu’on regarde à travers le centre de l’anneau », a précisé Hall. « C’est de cette perspective que tout semble être en miroir, comme si l’anneau était une passerelle vers un monde d’antimatière au lieu de matière », a ajouté Möttönen.
Les implications de cette découverte
En théorie, un monopôle passant par le centre d’un anneau Alice serait transformé en un anti-monopôle de charge opposée. En conséquence, la charge de l’anneau Alice changerait également. Bien que ce phénomène n’ait pas encore été observé expérimentalement, Möttönen a déclaré que la structure topologique des anneaux d’Alice nécessite ce comportement.
Le travail expérimental a été mené au Amherst College principalement par le doctorant Alina Blinova et Hall, tandis que Möttönen et son équipe étaient chargés de faire correspondre des simulations. De cette façon, les deux équipes ont pu confirmer l’interprétation des observations expérimentales. « Il est tout simplement incroyable d’avoir une découverte aussi importante comme point culminant de mon travail de doctorat », a conclu Alina Blinova.
En résumé
La découverte de l’anneau d’Alice par la collaboration Monopole est une avancée majeure dans la compréhension des monopôles magnétiques et de leur désintégration en physique quantique. Cet anneau vortex confirme des décennies de théorie sur le comportement des monopôles. Bien que fugaces, ces structures offrent un aperçu fascinant d’un monde miroir de l’antimatière. Des expériences futures révéleront sûrement d’autres propriétés surprenantes de ces anneaux quantiques.
Les simulations réalisées à l’université d’Aalto ont été rendues possibles grâce au soutien du CSC – IT Center for Science et du Conseil de la recherche de Finlande par l’intermédiaire de son Centre d’excellence en technologie quantique, et les expériences américaines grâce au soutien financier de la National Science Foundation.