Les phénomènes quantiques sont-ils dus à des mondes parallèles ?

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212035main_1-browse.jpgLa physique quantique est vraiment bizarre. Selon ses lois, on peut par exemple avoir un chat qui serait à la fois mort et vivant jusqu’à ce qu’on puisse l’observer directement. On peut aussi avoir des particules qui interagissent indépendamment de la distance qui les sépare, ou encore des particules qui passent par deux trous en même temps. Avec ses règles, il est impossible de connaître simultanément la vitesse et la position d’un électron, il faut choisir. Einstein lui-même était dérangé par certains de ses aspects, notamment le fait que des éléments soient basés sur les probabilités, ce qui lui fit prononcer la fameuse phrase “dieu ne joue pas aux dés”. Si la physique quantique décrit bien ce qui se passe au niveau microscopique, il semble parfois difficile de la faire coïncider avec ce qui se passe à des échelles supérieures : rien n’empêche de connaître à la fois la vitesse d’une voiture de rallye et sa position sur la route! Alors, d’où viennent donc les “mystérieux” phénomènes quantiques ? De mondes parallèles, bien sûr. C’est en tout cas la théorie que viennent d’imaginer des physiciens de l’université Griffith (Australie), qui la décrivent dans un article qui vient de paraître dans le journal Physical Review X. Selon eux, il y aurait un nombre énorme, mais fini, d’univers “classiques” comme le nôtre, et l’interaction entre ces univers générerait les phénomènes quantiques. Ils citent par exemple l’effet tunnel, qui permet à une particule de franchir une barrière de potentiel sans avoir l’énergie requise pour le faire, ou encore l’énergie du vide, qui seraient “des conséquences directes de la répulsion mutuelle entre ces mondes” parallèles. Ces interactions expliqueraient donc “tout ce qu’il y a de bizarre dans la mécanique quantique”. Globalement donc, les univers parallèles, au lieu de se développer indépendamment, s’influenceraient l’un l’autre.

Les univers parallèles ne sont pas indépendants

Si les mondes parallèles sont l’un des sujets favoris de la littérature de science-fiction, ils sont également l’objet d’études très sérieuses par la science, surtout à la lumière de la physique quantique. Dès 1957, Hugh Everett expliquait que l’univers comportait tous les états définis par la mécanique quantique, et que c’était l’observateur qui n’en percevait qu’une possibilité. Pour simplifier, le fait d’interagir avec la réalité lui faisait “choisir” une voie, sans que les autres ne cessent d’exister simultanément. Alors, qu’y a-t-il de nouveau dans ce que propose l’équipe de l’université Griffith? “Dans la théorie bien connue des mondes multiples, chaque univers se sépare en un paquet de nouveaux univers chaque fois qu’une mesure quantique est effectuée”, explique le professeur Wiseman, l’un des auteurs de l’article. “Toutes les possibilités sont par conséquent réalisées : dans certains univers, l’astéroïde qui tua les dinosaures a manqué la Terre. Dans d’autres, l’Australie a été colonisée par les Portugais. Mais les critiques mettent en doute la réalité de ces autres univers, puisqu’ils n’influencent pas du tout notre univers. Sur cette note, notre théorie des “mondes multiples qui interagissent” est complètement différente, comme son nom l’indique”. La “théorie des mondes multiples qui interagissent” se résume en trois points : - L’univers que nous connaissons est juste un parmi un nombre gigantesque de mondes. Certains sont presque identiques au notre, alors que la plupart sont très différents. - Tous ces mondes sont aussi réels les uns que les autres, existent en permanence dans le temps, et possèdent des propriétés précisément définies - Tous les phénomènes quantiques voient le jour à partir d’une force universelle de répulsion entre les mondes “voisins” (c’est à dire similaires), ce qui tend à les rendre plus dissemblables. Pour le Dr Hall, co-auteur de l’article, cette théorie pourrait même créer la possibilité extraordinaire de tester l’existence d’autres mondes (parallèles). Et ce ne serait pas de la science-fiction…   Crédit photo : Image d’illustration, vue d’artiste de la multiplicité possible des planètes dans l’univers (NASA/JPL-Caltech) Continue reading

Les phénomènes quantiques sont-ils dus à des mondes parallèles ?

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212035main_1-browse.jpgLa physique quantique est vraiment bizarre. Selon ses lois, on peut par exemple avoir un chat qui serait à la fois mort et vivant jusqu’à ce qu’on puisse l’observer directement. On peut aussi avoir des particules qui interagissent indépendamment de la distance qui les sépare, ou encore des particules qui passent par deux trous en même temps. Avec ses règles, il est impossible de connaître simultanément la vitesse et la position d’un électron, il faut choisir. Einstein lui-même était dérangé par certains de ses aspects, notamment le fait que des éléments soient basés sur les probabilités, ce qui lui fit prononcer la fameuse phrase “dieu ne joue pas aux dés”. Si la physique quantique décrit bien ce qui se passe au niveau microscopique, il semble parfois difficile de la faire coïncider avec ce qui se passe à des échelles supérieures : rien n’empêche de connaître à la fois la vitesse d’une voiture de rallye et sa position sur la route! Alors, d’où viennent donc les “mystérieux” phénomènes quantiques ? De mondes parallèles, bien sûr. C’est en tout cas la théorie que viennent d’imaginer des physiciens de l’université Griffith (Australie), qui la décrivent dans un article qui vient de paraître dans le journal Physical Review X. Selon eux, il y aurait un nombre énorme, mais fini, d’univers “classiques” comme le nôtre, et l’interaction entre ces univers générerait les phénomènes quantiques. Ils citent par exemple l’effet tunnel, qui permet à une particule de franchir une barrière de potentiel sans avoir l’énergie requise pour le faire, ou encore l’énergie du vide, qui seraient “des conséquences directes de la répulsion mutuelle entre ces mondes” parallèles. Ces interactions expliqueraient donc “tout ce qu’il y a de bizarre dans la mécanique quantique”. Globalement donc, les univers parallèles, au lieu de se développer indépendamment, s’influenceraient l’un l’autre.

Les univers parallèles ne sont pas indépendants

Si les mondes parallèles sont l’un des sujets favoris de la littérature de science-fiction, ils sont également l’objet d’études très sérieuses par la science, surtout à la lumière de la physique quantique. Dès 1957, Hugh Everett expliquait que l’univers comportait tous les états définis par la mécanique quantique, et que c’était l’observateur qui n’en percevait qu’une possibilité. Pour simplifier, le fait d’interagir avec la réalité lui faisait “choisir” une voie, sans que les autres ne cessent d’exister simultanément. Alors, qu’y a-t-il de nouveau dans ce que propose l’équipe de l’université Griffith? “Dans la théorie bien connue des mondes multiples, chaque univers se sépare en un paquet de nouveaux univers chaque fois qu’une mesure quantique est effectuée”, explique le professeur Wiseman, l’un des auteurs de l’article. “Toutes les possibilités sont par conséquent réalisées : dans certains univers, l’astéroïde qui tua les dinosaures a manqué la Terre. Dans d’autres, l’Australie a été colonisée par les Portugais. Mais les critiques mettent en doute la réalité de ces autres univers, puisqu’ils n’influencent pas du tout notre univers. Sur cette note, notre théorie des “mondes multiples qui interagissent” est complètement différente, comme son nom l’indique”. La “théorie des mondes multiples qui interagissent” se résume en trois points : - L’univers que nous connaissons est juste un parmi un nombre gigantesque de mondes. Certains sont presque identiques au notre, alors que la plupart sont très différents. - Tous ces mondes sont aussi réels les uns que les autres, existent en permanence dans le temps, et possèdent des propriétés précisément définies - Tous les phénomènes quantiques voient le jour à partir d’une force universelle de répulsion entre les mondes “voisins” (c’est à dire similaires), ce qui tend à les rendre plus dissemblables. Pour le Dr Hall, co-auteur de l’article, cette théorie pourrait même créer la possibilité extraordinaire de tester l’existence d’autres mondes (parallèles). Et ce ne serait pas de la science-fiction…   Crédit photo : Image d’illustration, vue d’artiste de la multiplicité possible des planètes dans l’univers (NASA/JPL-Caltech) Continue reading

Les Indiens à l’assaut des Neutrinos

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Schematic view of the Underground neutrino lab under a mountain
Il n’y a pas que les Américains, les Japonais, les Européens et les Chinois qui s’intéressent aux neutrinos, les Indiens aussi veulent tout savoir sur ces particules qui recèlent encore des mystères non résolus.



Pour étudier les neutrinos, il y a plusieurs possibilités : soit on essaye de détecter des neutrinos produits par le Soleil (des neutrinos solaires), ou bien des neutrinos produits par des réactions de rayons cosmiques dans l’atmosphère (des neutrinos atmosphériques), des neutrinos venant directement des confins de la galaxie ou d’autres galaxies (des neutrinos astrophysiques), ou enfin des neutrinos que l’on fabrique nous-même dans des réacteurs nucléaires et dans des accélérateurs de particules.

Vue schématique de l’implantation du
laboratoire souterrain INO
(INO collaboration)
Les neutrinos les plus nombreux et les plus faciles à observer sont sans conteste les neutrinos solaires et atmosphériques. Ce sont ces derniers que les physiciens Indiens ont décidé d’étudier de près dans le but avoué d’avancer dans la compréhension des paramètres encore méconnus des neutrinos, et notamment cette question si importante qu’on appelle le problème de la hiérarchie des masses.

Les neutrinos existent sous la forme de trois saveurs distinctes, électronique, muonique et tauique, reliées aux leptons électron, muon et tau. Ces trois types de neutrinos ont tous une masse, très faible, et différente l’une de l’autre. Mais nous ne savons toujours pas aujourd’hui quelles sont les valeurs de ces masses et surtout quel neutrino est le plus léger et le plus lourd. C’est cette question fondamentale qui est appelée le problème de la hiérarchie des masses en physique des neutrinos. Ce que nous connaissons actuellement des masses des différents neutrinos, ce sont leurs écarts de masse au carré. Nous savons également assez bien comment un neutrino d’une certaine saveur oscille pour se transformer en un neutrino d’une autre saveur au cours de son mouvement dans le vide ou la matière.
Les neutrinos atmosphériques sont principalement constitués de neutrinos de type muonique. Il existe plusieurs familles de détecteurs permettant d’observer ce genre de neutrinos malgré leur très faible probabilité d’interaction (rappelons qu’un neutrino est capable de traverser la Terre de part en part sans interagir) : les détecteurs Cherenkov à eau (comme SuperKamiokande au Japon, Antarès en Méditerranée ou IceCube en Antarctique), les détecteurs à argon liquide, et les détecteurs à aimants. Dans ces trois cas, ce n’est pas le neutrino qui est directement détecté, mais une particule secondaire issue d’une réaction du neutrino incident dans le détecteur, un muon chargé en l’occurrence.
Protoype de chambre à plaque résistive utilisée dans le détecteur ICAL (INO)

Les physiciens Indiens ont décidé de développer un détecteur du troisième type : un énorme aimant sous forme de plaques de fer magnétisées, intercalées par des plaques de détection. Pour cela, ils doivent construire un laboratoire souterrain exclusivement dédié (dans un premier temps) à ce détecteur. L’utilisation d’un laboratoire souterrain est ici cruciale pour protéger le détecteur de muons des milliards de muons provenant (comme les neutrinos recherchés) de la haute atmosphère et qui sont eux aussi assez pénétrants, mais heureusement bien moins que ne le sont les neutrinos, et forment de fait un signal parasite qu’il faut à tout prix éliminer.

Ce projet de laboratoire est appelé India-based Neutrino Observatory (INO) et est prévu d’être creusé sous une montagne du district de Theni dans l’état de Tamil Nadu, environ à 110 km de la ville de Madurai. C’est d’ailleurs à Madurai que seront installés les locaux opérationnels associés au laboratoire souterrain. INO bénéficiera ainsi d’une couverture rocheuse de 1200 m, soit un peu moins que le laboratoire souterrain français de Modane (1800 m de roche). INO sera accédé grâce à un tunnel spécialement creusé pour l’occasion, d’une longueur de 2,1 km, qui débouchera sur une cavité principale d’un volume très intéressant de 132 m x 26 m x 20 m, entourée de plusieurs cavités expérimentales plus petites qui pourront accueillir diverses petites expériences requérant elles-aussi un environnement à ultra-bas bruit de fond radioactif.
Le détecteur indien est nommé ICAL. C’est ce qu’on appelle dans le jargon un calorimètre. Il sera très imposant, composé de 50000 tonnes de plaques de fer magnétisées entrelacées avec des milliers de chambres à plaques résistives, toutes disposées horizontalement. Il sera à même de détecter des particules chargées et de produire leur trace. Le champ magnétique appliqué sur ce gigantesque aimant aura une valeur de 1,3 Tesla, considérable…
ICAL devrait ainsi permettre de déterminer à la fois la nature de la charge des muons détectés (positive ou négative, signant l’interaction d’un neutrino ou d’un antineutrino muonique), leur impulsion, et leur énergie, des données indispensables pour atteindre les paramètres cinématiques des neutrinos incidents, informations cruciales recherchées pour explorer le problème de la hiérarchie des masses des neutrinos.
Les membres de la collaboration INO lors d’une réunion en avril 2014 (INO Collaboration)
A l’heure actuelle, le design du détecteur est en cours grâce au développement de prototypes et à de nombreuses simulations des interactions particules-matière et permettent d’évaluer quelles pourront être les performances du détecteur. La collaboration INO est déja forte d’une cinquantaine de physiciens et physiciennes indiens répartis sur une quinzaine d’instituts et universités. 
Une durée de l’ordre de 15 ans de prise de données semble indispensable pour atteindre une sensibilité intéressante, à moins que les données de ICAL ne soient mises en commun avec d’autres expériences de détection de neutrinos, et pas forcément des neutrinos atmosphériques, mais pourquoi pas des neutrinos produits par l’homme, comme les neutrinos japonais issus d’accélérateur de l’expérience T2K, ou les neutrinos de réacteur français de l’expérience DoubleChooz ou chinois de Daya Bay.

La recherche sur les neutrinos ne connaît heureusement pas de frontières et l’arrivée d’un nouveau venu dans l’arène ne peut être qu’une bonne nouvelle.
Source : 
Next-generation atmospheric neutrino experiments
A. Kouchner
Physics of the Dark Universe,  4, 60-74 (2014)
http://drericsimon.blogspot.com
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Les cristaux, beaux compagnons de l’humanité

Depuis un mois, les promeneurs qui longent, dans le 5e arrondissement de Paris, l’Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles (ESPCI, rue Pierre-Brossolette) peuvent contempler la vingtaine de panneaux de l’exposition Cristaux accrochés aux grilles de l’établissement. Tirés de … Continuer la lecture

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A-t-on (enfin) détecté de la matière noire ?

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174735main_LEFTFullDisk.jpg La matière noire, c’est un peu l’homme invisible de la physique. Elle est là, elle est même très présente, puisqu’elle composerait 85% de la matière de l’univers. Seulement, elle n’émet pas de lumière, et ne l’absorbe pas non plus. Résultat : on ne peut pas la voir. En revanche, on sait qu’elle est là, par la théorie, mais aussi par les forces gravitationnelles qu’elle exerce, et qui participent à la cohésion de l’univers : sans matière noire, les galaxies s’éparpilleraient en petits morceaux façon puzzle. Alors, comment détecter quelque chose qui n’interagit pas, ou très peu, avec la matière? C’est l’objet de la quête de la matière noire, saga moderne pour les physiciens et astrophysiciens. Ceux de l’université de Leicester (Angleterre) viennent d’en vivre un épisode dramatique, mais qui pourrait ouvrir la voie vers la détection d’une particule de matière noire, l’axion. Le professeur George Fraser, directeur du centre de recherches spatiales de l’université de Leicester, auteur principal d’une étude publiée ce lundi dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society n’en verra malheureusement pas la confirmation (ou l’infirmation) : il est décédé dramatiquement en mars. Mais qu’a donc découvert cette équipe ? “Le fond diffus de rayons X – le ciel, après que l’on ait enlevé les sources lumineuses de rayons X – paraît inchangé, quel que soit l’endroit d’où on l’observe”, explique l’un des co-auteurs de l’étude, le  Dr.Andy Read. “Cependant, nous avons découvert un signal saisonnier dans ce fond de rayons X qui n’a pas d’explication conventionnelle, mais qui est en accord avec la découverte d’axions.” Il semblerait, selon l’étude, que les axions sont produits dans le coeur du Soleil, et en réagissant avec les ceintures magnétiques qui protègent la Terre, ils se transformeraient en rayons X. Le signal dû à ces axions serait donc plus grand lorsqu’on l’observe en direction du Soleil. Axion_PR.png Cette étude est cependant discutée, il y a des pour, et des contre. “Ces découvertes excitantes, le dernier papier de George, pourraient être vraiment innovantes, et potentiellement ouvrir une fenêtre sur une nouvelle physique et pourrait avoir des implications énormes, non seulement pour notre compréhension du véritable ciel des rayons X mais aussi pour identifier la matière noire qui domine le contenu massif du cosmos”, déclare Andy Read. Il met cependant un bémol à son enthousiasme dans un entretien avec la revue Nature : “Nous avons trouvé un résultat inhabituel que nous ne pouvons expliquer par aucune méthode conventionnelle, et cette théorie de l’axion , elle, l’explique. Mais c’est juste une hypothèse, et beaucoup d’hypothèses ne survivent pas.” Christian Beck, qui a travaillé sur les axions à l’université Queen Mary de Londres (et n’a pas participé à l’étude) déclare au Guardian que “les axions de matière noire, ou des particules ressemblant aux axions, pourraient être responsables de ceci car elles peuvent se transformer en photons dans le champ magnétique terrestre. Cette découverte pourrait potentiellement être très importante. Ce qui est moins clair, cependant, est si toutes les autres explications de l’effet mesuré peuvent être exclues. Une véritable découverte de matière noire qui soit convaincante pour la plupart des scientifiques nécessiterait des résultats réguliers de plusieurs expériences différentes utilisant différentes méthodes de détection, en plus de ce qui a été observé par le groupe de Leicester”. Prudence donc, l’affaire des ondes gravitationnelles, toujours en suspens, montre que dans ce domaine il faut parfois attendre des mois après l’enthousiasme initial pour que la science tranche. Mais si elle s’avérait exacte, l’article de feu le professeur Fraser ferait date dans l’histoire.   Credits photos : - Image du soleil obtenue par la mission Stereo (NASA) - Schéma (pas à l’échelle) montrant les axions (en bleu) en provenance du Soleil se changeant en rayons X (orange) au contact du champ magnétique terrestre (en rouge), qui sont ensuite détectés par l’observatoire XMM-Newton. (© Université de Leicester). Continue reading