Une nouvelle expérience au LHC pourrait démêler la réalité quantique

Le Grand collisionneur de hadrons teste l’intrication dans une toute nouvelle gamme d’énergies

Pour Alan Barr, cela a commencé pendant les confinements liés à la COVID-19. “J’avais un peu plus de temps. Je pouvais m’asseoir et réfléchir”, dit-il. Il avait apprécié faire partie du succès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) près de Genève, en Suisse — le collisionneur de particules qui a découvert le boson de Higgs. Mais maintenant, il se demandait s’ils n’avaient pas manqué quelque chose. “J’ai passé de longues heures à assembler des morceaux. Et je me suis dit, ‘Nous avons construit ce bel appareil, mais peut-être pourrions-nous en faire plus'”, ajoute-t-il.

Le LHC est généralement vu comme une machine à trouver de nouvelles particules. Mais désormais, Barr et une foule d’autres physiciens se demandent s’il pourrait également être utilisé pour explorer la signification sous-jacente de la théorie quantique et pourquoi elle peint une réalité si profondément étrange.

C’est exactement ce que Barr et ses collègues étudient maintenant sérieusement. L’année dernière, ils ont publié les résultats d’une expérience dans laquelle ils ont montré que des paires de particules fondamentales appelées quarks top pouvaient être mises dans l’état quantique connu sous le nom d’intrication.

L’intrication ouvre une nouvelle voie pour l’étude de l’univers

Ce n’était que la première de nombreuses expériences d’intrication dans les collisionneurs de particules qui pourraient ouvrir une toute nouvelle manière d’étudier la nature de l’univers. Nous pouvons maintenant nous demander pourquoi la réalité dans la mécanique quantique est si difficile à cerner et ce que cela a à voir avec les expérimentateurs — ou même les particules — ayant un libre arbitre. Cela pourrait révéler si l’espace-temps est fondamental ou peut-être dévoiler une réalité plus profonde encore plus étrange que la mécanique quantique. “Nous pouvons vraiment faire des choses différentes avec ce collisionneur”, dit Barr.

Si vous voulez débloquer le monde quantique, l’intrication offre la clé. Selon Erwin Schrödinger, l’un des fondateurs de la théorie quantique, l’intrication est le “trait caractéristique” de ce domaine. C’est essentiellement un lien entre les particules quantiques, aussi éloignées soient-elles dans l’espace, qui défie le sens commun. C’est pourquoi Albert Einstein l’a rejetée comme une “action fantomatique à distance” et a supposé — à tort — que son existence serait réfutée une fois la théorie mûrie.

Comment fonctionne l’intrication?

L’intrication fonctionne de cette façon. Tout d’abord, faites interagir deux particules quantiques, comme des photons de lumière, d’une certaine manière. Cela pourrait être aussi simple que leur collision, ou les deux étant produits du même événement quantique, comme la désintégration spontanée d’un boson de Higgs.

Le caractère fantomatique devient apparent lorsque vous effectuez une mesure sur l’un puis faites de même sur l’autre. Dans les bonnes circonstances, cela révèle que les propriétés des deux particules sont corrélées : l’action sur l’une a un effet instantané correspondant sur l’autre.

Pensez à cette corrélation comme à lancer deux pièces de monnaie plusieurs fois et à constater qu’elles atterrissent toujours toutes les deux sur pile ou toutes les deux sur face. Après un moment, vous soupçonneriez qu’il se passe quelque chose de suspect — peut-être qu’un aimant caché les fait invariablement atterrir dans la même orientation. Si vous ne trouvez pas d’aimant caché, vous pourriez simplement lever les mains et déclarer que quelqu’un finira par proposer une explication raisonnable.

C’était certainement l’espoir d’Einstein, tout comme pour le physicien du CERN, John Bell, qui, dans les années 1960, a proposé une expérience pour vérifier les corrélations entre des particules intriquées qui étaient éloignées. Typiquement, dans ces tests de Bell, deux photons intriqués sont générés par la même source puis envoyés à deux expérimentateurs hypothétiques nommés Alice et Bob. Alice et Bob choisissent chacun aléatoirement de mesurer l’orientation de leur photon — mesurant une propriété quantique connue sous le nom de spin — le long de l’une des trois directions. Après cela, ils comparent les observations pour évaluer la corrélation. Étant donné que la théorie quantique ne traite qu’en termes de probabilités concernant les résultats des mesures, et non des résultats fixes, la configuration et la mesure doivent être réalisées de nombreuses fois. Mais si l’action fantomatique à distance est réelle, plus correctement appelée non-localité, il devrait y avoir plus de corrélation que ce qu’Einstein aurait prévu. Bell a quantifié cela dans une “inégalité” mathématique qui ne serait violée que si Einstein s’était trompé sur la non-localité.

Leur espoir que le bon sens prévaudrait était vain. Les inégalités de Bell ont depuis été violées dans d’innombrables expériences en laboratoire, prouvant que dans le monde quantique, des points distants dans l’espace peuvent être instantanément connectés. Les physiciens ont même démontré l’intrication entre une variété d’entités, des atomes refroidis aux diamants.

Cependant, malgré tout notre succès expérimental, l’intrication reste un fait inconfortablement brut sur la réalité. Nous n’avons pas encore découvert d’aperçus plus profonds sur la signification de la théorie quantique ou compris si les règles quantiques que nous avons testées dans des conditions de laboratoire bien contrôlées s’appliquent toujours à la frontière sauvage trouvée dans les collisionneurs de particules.

Cela pourrait maintenant être sur le point de changer car nous faisons des tests de Bell à l’intérieur des environnements désordonnés et à haute énergie des collisionneurs de particules. L’observation de l’an dernier de l’intrication entre des paires de quarks top au LHC a montré que nous pouvons enquêter sur le phénomène dans une sphère entièrement nouvelle — et obtenir une perspective différente sur le monde quantique. “Nous faisons cela à une énergie mille milliards de fois supérieure à celle des tests de Bell typiques”, déclare Barr, qui est basé à l’Université d’Oxford. “Dans un régime totalement différent, la nature pourrait nous surprendre.”

L’intrication des quarks top n’était pas une observation directe. Les chercheurs ont appris sur l’intrication en observant les propriétés de la cascade de particules qui frappaient les détecteurs ATLAS du collisionneur après que les quarks se soient décomposés naturellement. “Vous déduisez ce qui s’est passé à partir des débris”, dit Juan Ramón Muñoz de Nova de l’Université Complutense de Madrid, en Espagne. Cette inférence est difficile cependant : elle dépend de l’étude des angles sous lesquels les particules en cascade voyagent tout en connaissant l’énergie exacte des collisions de protons qui ont formé les quarks en premier lieu et les trajectoires qu’ils ont suivies.

Mais cela signifie également que les nombreux pétaoctets de données sur les désintégrations de particules recueillies par le CERN au cours des dernières années, et les données à collecter lors de ses futures expériences, devraient être une source d’information tout aussi riche. “Cela ouvre la voie à de nombreuses futures expériences quantiques dans les collisionneurs”, dit Muñoz de Nova.

Espace-temps émergent

Une possibilité intrigante est que ces expériences de collisionneur pourraient renverser nos hypothèses sur la nature de l’espace, dit Vlatko Vedral, théoricien à l’Université d’Oxford. Les tests de Bell traditionnels examinent l’intrication sur de grandes distances, mais les corrélations sur de très petites distances sont tout aussi intéressantes, dit-il. Ces tests basés sur les collisionneurs examinent des liens qui ne s’étendent que sur des quadrillionièmes de mètre et pourraient nous dire s’il n’y a pas de chose telle que l’espace — et donc la localité — à cette échelle. Peut-être, suggère-t-il, l’action fantomatique à distance est la norme et le monde des particules est non-local par défaut. Dans ce cas, peut-être que l’espace n’est pas fondamental mais émerge de l’intrication comme un phénomène émergent. “Pourrions-nous faire une erreur en supposant que les choses devraient être locales là?” demande-t-il.

De plus, les hautes énergies mettent en jeu un nouveau monde de particules “virtuelles”, dit Barr. Lorsque des particules sont accélérées près de la vitesse de la lumière à l’intérieur d’un collisionneur comme le LHC, une partie de l’énergie du faisceau est transformée en particules supplémentaires. Elles ne sont pas réelles, en tant que telles : ce sont des perturbations éphémères dans les champs à haute énergie à l’intérieur du collisionneur. Mais elles sont impliquées dans une gamme de phénomènes fascinants et controversés, y compris la manière paradoxale dont les trous noirs semblent émettre des radiations, et peut-être l’énergie noire qui accélère l’expansion de notre univers. “Il y a tout un domaine de phénomènes quantiques que vous aimeriez pouvoir vérifier” en utilisant des tests de Bell dans les collisionneurs de particules, dit Barr.

Les collisionneurs pourraient même nous aider à découvrir plus sur les nuances et les limites de la théorie quantique elle-même. Après tout, malgré le succès merveilleux de la théorie à prédire le résultat probable d’une série d’expériences impliquant des particules à l’échelle quantique, nous ne comprenons pas pourquoi elle fonctionne. Observer l’intrication dans les collisionneurs pourrait aider à trouver les parties d’une théorie “post-quantique” qui nous diraient d’où viennent les phénomènes quantiques.

Cela pourrait également nous aider à disséquer les variations subtiles de l’intrication. Un détail souvent négligé du domaine quantique est que l’intrication n’est pas juste une chose. Deux particules entièrement, ou “maximalement”, intriquées partagent toutes leurs informations — vous ne pouvez pas décrire l’une sans décrire l’autre. Mais les secousses de leur environnement pourraient faire perdre une partie des informations dans deux particules intriquées, par exemple, les laissant moins intriquées, mais pas complètement déconnectées. “Il y a différents niveaux”, dit Martina Javurkova à l’Université du Massachusetts, Amherst.

Ensuite, il y a le “guidage”, une forme asymétrique d’intrication quantique dans laquelle l’influence d’une particule, ou d’un ensemble de particules, domine sur l’autre. Et il y a la discorde, qui implique un réseau de liens plus faibles de sorte qu’une particule puisse toujours affecter l’autre, mais de manière beaucoup moins dramatique. “Ce sont des états séparables, mais ils peuvent fournir des informations supplémentaires sur chacun”, dit Javurkova.

L’intrication entre les bits quantiques est au cœur de l’informatique quantique, donc comprendre ces nuances de l’intrication nous aide à construire des ordinateurs quantiques plus sophistiqués. En plus de cela, il y a la possibilité d’intrication impliquant trois, quatre ou peut-être plus de particules. Ces états sont incroyablement difficiles à étudier dans les laboratoires traditionnels, mais se produisent naturellement lors des collisions de particules. Cela pourrait avoir de grandes implications pour l’informatique quantique. “Nous savons comment le faire fonctionner”, dit Barr.

Si tout cela ne suffit pas, que dire de creuser dans les profondeurs mêmes de ce que signifie être un humain faisant une expérience scientifique? Au LHC, l’action humaine a été complètement retirée du test de Bell. Habituellement, un expérimentateur choisit une orientation particulière pour les détecteurs ou utilise un générateur de nombres aléatoires pour déterminer le choix. Cela fait partie du processus de démonstration que les corrélations entre les particules ne proviennent pas d’une propriété préexistante dans les particules elles-mêmes qui nous est cachée.

Mais dans un test de Bell de collisionneur, la mesure de l’état quantique d’une particule se produit lorsqu’elle se désintègre spontanément en d’autres particules moins massives. Ainsi, ces tests de Bell basés sur les collisionneurs se produisent simplement, sans intervention humaine, et avant que les particules interagissent avec l’appareil de détection du collisionneur, dit Christopher Timpson, également basé à l’Université d’Oxford. Tout cela remet en question ce qu’est réellement une mesure, dit-il, et si les particules ont quelque chose qui ressemble à un libre arbitre. “La particule a-t-elle le droit de choisir la nature de la mesure qui est faite sur elle?” demande-t-il. “Et si le choix de la direction de la mesure est sélectionné par la particule, et non par un processus indépendant, est-ce la même chose qu’un générateur de nombres aléatoires?”

En d’autres termes, tout cela pourrait avoir quelque chose à contribuer au problème de mesure de longue date, la source de toutes les idées étranges dans la théorie quantique sur ce qu’est vraiment la réalité. Une particule quantique peut être configurée de manière à être dans ce qui semble être plusieurs états différents à la fois. Cette “superposition”, illustrée de manière célèbre par le chat mort-et-vivant de Schrödinger, dure jusqu’à ce qu’une mesure soit faite sur elle. Mais personne n’a jamais pu s’accorder sur ce qui constitue réellement une mesure, résultant en une myriade d’interprétations de ce qui se passe lorsqu’une mesure se produit.

Interprétations quantiques

Des exemples célèbres incluent l’interprétation des nombreux mondes, qui dit que les événements quantiques se déroulent dans une succession d’univers séparés; l’interprétation de Copenhague, qui dit qu’une mesure sur une particule quantique induit un changement fondamental dans le système que nous observons comme le monde normal, “classique”; et l’interprétation des variables cachées, qui suggère que le cours bizarre des événements quantiques est causé par certains facteurs auxquels nous n’avons pas accès. Dans cette vue, si nous avions juste des connaissances sur les variables cachées, alors rien ne semblerait étrange.

Certaines de ces idées, comme l’interprétation de Copenhague, nécessitent un contexte classique. Dans d’autres, comme l’image des nombreux mondes, tout est quantique. Si quelque chose est exclu par les collisionneurs, il est probable que ce soit l’idée que le monde classique ait un rôle quelconque à jouer dans la compréhension des choses, dit Vedral. Cela est en partie parce qu’il n’y a aucune action à l’échelle humaine — c’est-à-dire classique — impliquée lorsque des mesures quantiques sont faites à l’intérieur des collisionneurs. Mais Vedral admet que c’est aussi son biais instinctif. “Si et quand la mécanique quantique échoue, si les expériences commencent vraiment à la contredire, il est peu probable que nous verrons une sorte de retour à la physique classique”, dit-il. Plutôt, il est beaucoup plus probable qu’elle exposera une réalité encore plus déroutante qui, dans certains scénarios, ressemble à la mécanique quantique.

Barr est également intéressé par ce que le LHC pourrait nous apprendre sur la validité de certaines interprétations quantiques. “Je ne vais pas dire que cela favorisera définitivement une chose plutôt qu’une autre, mais cela semble remettre en question l’élément de subjectivité”, dit-il. “Cela tend à favoriser certaines interprétations de la mécanique quantique.” Il travaille déjà avec des philosophes de la physique pour creuser ce que les expériences de collisionneur pourraient révéler sur la façon dont nous interagissons avec la matière quantique. Timpson en fait partie, et il croit qu’il y a énormément à explorer. “Ces expériences sont un terrain de jeu pour rassembler des préoccupations sur les mesures quantiques, les interprétations quantiques, la nature de l’intrication et la nature de la non-localité”, dit-il.

Dans une expérience de collisionneur, cependant, les chercheurs ne peuvent rien tenir pour acquis : il y a beaucoup d’inconnues dans les expériences quantiques qui impliquent des conditions aussi extrêmes ainsi que des particules difficiles d’accès comme les quarks top et les bosons W. “Les types d’interactions que nous voyons dans le LHC seraient certainement exotiques en laboratoire”, dit Yoav Afik au CERN, l’un des chercheurs derrière le résultat des quarks top intriqués. Ce travail a déjà jeté une surprise, dit-il : le degré d’intrication observé était plus fort que ce que l’on pourrait attendre selon le modèle standard de la physique des particules, laissant entrevoir l’existence de nouvelles particules et forces. “Il se pourrait que nous puissions utiliser ces techniques pour mesurer quelque chose d’intéressant à propos du modèle standard lui-même”, dit Afik.

En fait, il y a tellement d’enthousiasme que Barr tient à éviter le battage médiatique sur ce qui sortira de la physique quantique dans les collisionneurs. “Je mentirais si je disais que j’ai toutes les réponses”, dit-il. “Mais quel que soit le résultat, cela pose beaucoup de questions qui nous feront réfléchir.”

Michael Brooks est consultant pour New Scientist. Son dernier livre est “The Maths That Made Us”