Des physiciens américains valident l’existence de l’’excitonium

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 Peter Abbamonte/Frederick Seitz
http://trustmyscience.com

Excitonium : cette nouvelle forme de matière vient d’être confirmée par les physiciens .

Article source: trustmyscience.com/

Stéphanie Schmidt

 12 décembre 2017

Depuis les années 1970, les scientifiques cherchent à prouver l’existence de cette étrange forme de matière qu’est l’excitonium. Mais à présent, des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont annoncé une nouvelle passionnante : la toute première observation expérimentale de cette nouvelle forme de matière.

Ce matériau est composé d’une particule composite qui pourrait permettre à la matière d’agir comme un superfluide, un supraconducteur ou même comme un cristal électronique isolant. Le professeur de physique Peter Abbamonte et son équipe ont travaillé avec des collègues de l’Illinois, de l’Université de Californie, de Berkeley et de l’Université d’Amsterdam pour prouver une fois pour toutes, l’existence de ce type de matière mystérieuse et théorisée depuis plus de 50 ans.

L’excitonium est un condensé composé d’excitons (des quasi-particules que l’on peut voir comme une paire électron-trou), qui sont donc ce que vous obtenez lorsque vous combinez des électrons échappés et les « trous » qu’ils ont laissé derrière eux. Cette combinaison mécanique-quantique est possible car, dans les semi-conducteurs, les électrons situés à la limite d’un niveau d’énergie autour d’un atome sont capables, lorsqu’ils sont excités, de sauter au niveau d’énergie suivant, laissant un « trou » au niveau précédent.

Ce trou agit alors comme une particule chargée positivement, attirant l’électron chargé négativement qui s’est échappé.

C’est au cœur d’un dichalcogénure de métal de transition (le diséléniure de titane) que les chercheurs ont pu observer l’existence des excitons pour la toute première fois. L’équipe de chercheurs a même réussi à reproduire les résultats cinq fois, et séparément.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas les outils expérimentaux nécessaires pour distinguer avec certitude s’ils détectaient l’excitonium ou une autre phase similaire de la matière. Cependant, en utilisant une nouvelle technique, l’équipe de recherche a pu mesurer pour la toute première fois et de façon définitive, les excitations collectives des particules bosoniques de basse énergie, des électrons appariés et des trous, quel que soit leur dynamisme.

En d’autres termes, il s’agit de la toute première observation d’une phase de plasmon souple, qui est le précurseur de la condensation d’excitons. « Depuis que le terme « excitonium » a été inventé dans les années 1960 par le physicien théoricien de Harvard, Bert Halperin, , les physiciens ont cherché à démontrer son existence. Les théoriciens ont débattu pour savoir si ce serait un isolant, un conducteur parfait ou un superfluide – avec des arguments convaincants de tous les côtés », explique Abbamonte.

« Depuis les années 1970, de nombreux expérimentateurs ont publié des preuves de l’existence de l’excitonium, mais leurs résultats ne faisaient pas office de  preuve définitive et pouvaient également être expliqués par une transition de phase structurelle classique », a-t-il ajouté.

Maintenant qu’il a été prouvé que l’excitonium existe et a été concrètement observé de manière expérimentale, ses propriétés peuvent être explorées plus en détail et appliquées. Les chercheurs étudient les possibles applications pratiques liées à cette découverte.

En tant que supraconducteur et superfluide, ce matériau pourrait être utilisé pour faire progresser les technologies existantes par exemple. Mais bien entendu, ces applications, en particulier celles qui concernent les technologies pratiques, sont purement spéculatives à ce stade.

Il est encore impossible de prédire exactement ce que l’avenir pourrait réserver à l’excitonium, mais les chercheurs restent convaincus que cette découverte permettra de mettre en lumière certains des mystères de la mécanique quantique.

Sources : Science, PhysOrg

Source

Mise à jour investigations ufoetscience, le : 12/12/2017 à 12h55.

Le détecteur orbital chinois DAMPE détecte des rayons cosmiques qui pourrait indirectement indiquer la présence de matière noire.

À gauche: simulations de la distribution de la matière noire dans l’Univers environ 3 milliards d’années après le Big Bang. À droite: des amas de matière noire (rouge), avec ceux faisant plus de 300 millions de fois la masse du Soleil (en jaune). | Virgo consortium/A. Amblard/ESA

Thomas Boisson

 3 décembre 2017

Article source : trustmyscience.com

La mise en évidence de la matière noire, constituant environ 27% de la densité d’énergie totale de l’univers, est un des enjeux fondamentaux de l’astrophysique moderne.

Tandis que la recherche se poursuit, de nouvelles données acquises par le détecteur orbital chinois DAMPE et publiées le 29 novembre dans Nature (1), bousculent depuis quelques jours la communauté scientifique. En effet, la détection d’une anomalie dans le flux de rayons cosmiques observé pourrait être la signature indirecte de la présence de matière noire.

DAMPE et l’étude des rayons cosmiques de hautes énergies

Le DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), lancé le 17 décembre 2015 à 500 km d’altitude, est un détecteur de particules à très hautes énergies optimisé pour l’étude des rayons cosmiques composés d’électrons et de positrons (CREs), ainsi que pour l’étude des rayons gamma. Plus particulièrement, DAMPE est calibré pour des énergies allant jusqu’à 10 TeV.

Suite

Mise à jour investigations ufoetscience, le : 03/12/2017 à 20h52.

La supergravité est-elle la bonne théorie de la gravitation quantique ?

Van Nieuwenhuizen, l’un des créateurs des théories de supergravité. Crédit : Eric Michelson

Article source: technofuture

mardi 20 octobre 2015

(Repris du site futura-sciences publié le:

Le 25/05/2009)

Comprendre l’origine de l’Univers et le destin de la matière tombant dans un trou noir nécessite une théorie quantique de la gravitation. Découverte dans la seconde moitié des années 1970, la supergravité offrait l’espoir d’une telle théorie mais les physiciens l’ont abandonnée au début des années 1980. Certains résultats récents pourraient la remettre en selle..

Lorsque le champ de gravitation est fort, comme c’est le cas pour une étoile à neutron dont 1 cm³peut peser des millions de tonnes ou pour des trous noirs de masse stellaire, la théorie de la relativité d’Einstein devient indispensable. Elle l’est également lorsqu’il s’agit de considérer l’Univers à grande échelle dont le rayon observable dépasse aujourd’hui les 46 milliards d’années-lumière. Mais pour pénétrer dans les entrailles des protons, dont la taille est d’environ 10^-15 mètre, les lois de la mécanique quantique deviennent incontournables. A priori, ces deux domaines de la physique relevant l’un de l’infiniment grand et l’autre de l’infiniment petit ne se recoupent pas.

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Cette conclusion est fausse. Lorsque l’Univers observable était jeune et qu’il possédait une taille inférieure à celle d’un proton, sa formidable densité et l’extrême intensité du champ de gravitation ne peuvent être comprises sans une théorie quantique de la gravitation combinant les de la relativité générale avec celles de la mécanique quantique. Malheureusement, les calculs font intervenir des quantités croissant sans limites, ce que l’on appelle des divergences infinies.

En 1976, un groupe de physiciens, Daniel Z. Freedman, Peter van Nieuwenhuizen et Sergio Ferrara, de l’Université de Stony Brook, découvrirent une merveilleuse généralisation de la théorie de la relativité générale qu’ils baptisèrent la supergravité. Comme on ne tarda pas à le découvrir, cette théorie pouvait en fait exister sous différentes formes et en plusieurs dimensions d’espace. Mathématiciens et physiciens s’unirent pour classifier les différentes théories possibles car, comme ils le découvrirent rapidement, certaines de ces théories ne souffraient pas des problèmes de divergences infinies, au moins lorsqu’on ne poussait pas trop loin les calculs.

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Une classe de théorie en 4 dimensions retint particulièrement l’attention des chercheurs pendant un temps. Il existe en gros 4 classes de théories de supergravité selon que l’on considère 1, 2, 4 et enfin 8 opérations mathématiques ressemblant à des rotations autour d’un axe. On y parle alors de générateurs de supersymétrie. La théorie considérée par les chercheurs est celle dite N=8, avec donc 8 générateurs de supersymétrie.

Une théorie unifiée de la matière et des interactions ?

Au début des années 1980, Stephen Hawking se demandait si cette théorie, dont l’exploration commençait, pouvait être, en plus d’une théorie de gravitation quantique, une théorie unifiée de la matière et de toutes les interactions.

Dans le cadre des théories dites supersymétriques, et la supergravité n’en est qu’un exemple parmi d’autres, les particules de matière comme les électrons et les quarks, peuvent être unifiées avec les particules transportant les forces, comme les photons et les bosons Z et W, ou encore les gluons.

Si l’on veut se faire une idée de la supersymétrie, on peut prendre l’exemple des vecteurs dans le plan. Il n’est pas possible de prendre la racine carrée d’un vecteur de prime abord, mais si l’on décrit un tel vecteur comme un nombre complexe, alors cela ne pose plus aucun problème. Si l’on veut généraliser la notion de nombre complexe à l’espace, plus précisément à l’espace-temps de la relativité, il s’introduit naturellement des sortes de racines carrées des vecteurs de l’espace-temps que l’on appelle des spineurs.

croquis crédit:
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Les particules de matière comme les neutrinos et les quarks sont décrites par des spineurs alors que les gluons et les photons par des vecteurs. C’est une autre façon de dire que les particules de matière sont des fermions alors que les particules médiatrices des forces sont des bosons.

Dans le cadre de la supersymétrie, il est possible de considérer une sorte de super-espace dans lequel les bosons et les fermions sont des composantes d’une sorte de super vecteur qui peut tourner autour de l’analogue d’axes dans l’espace. De cette façon, fermions et bosons deviennent inséparables et à chacune des particules connues dans le modèle standard des interactions correspond un superpartenaire. Ainsi, aux quarks fermioniques sont associés des bosons, les squarks, et aux gluons et photons bosoniques sont associés des gluinos et des photinos, qui sont des fermions.

Les particules et leurs partenaires supersymétriques. Cliquer pour agrandir. Crédit : University of Glasgow

Il se trouve que la supersymétrie conduit naturellement à considérer une généralisation de la théorie d’Einstein, cette dernière, même, s’en déduit. La différence est que l’analogue du photon des ondes électromagnétiques devient pour les ondes gravitationnelles, dont on a des preuves indirectes avec l’étude des pulsars, une particule bosonique que l’on appelle le graviton, qui n’est pas un vecteur mais un tenseur. Il existe cependant un superpartenaire associé au graviton et qui est un fermion, le gravitino.

illustration: premier plusar double
crédit: technofuture

Cette situation est celle de la théorie à un seul générateur de supersymétrie. Dans le cas avec 8 générateurs, les divergences infinies de la gravitation quantique que l’on connaissait dans certains calculs disparaissaient. De plus, la théorie incorporait un grand nombre de nouvelles particules qui ressemblaient aux particules du modèles standard et surtout, elles étaient suffisamment nombreuses pour pouvoir peut-être correspondre à toutes celles que l’on connaissait alors.

L’espoir du début des années 1980 était donc que si l’on savait faire correctement tous les calculs dans la théorie de supergravité, non seulement on pourrait en déduire le modèle standard mais on finirait aussi par prouver que toutes les divergences infinies disparaissaient dans tous les calculs possibles. Le prix Nobel Murray Gell-Mann était par exemple parvenu à dériver l’existence de fermions qui possédaient les mêmes charges fractionnaires que les quarks.

Murray_Gell-Mann
photo crédit:
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Hélas, assez rapidement, on découvrit que la supergravité N=8 était désespérément rebelle à la présence de neutrinos et d’électrons violant la parité comme dans le modèle des interactions électrofaibles. Pire, les méthodes habituelles utilisées pour étudier l’apparition des divergences infinies dans les calculs de théorie quantique des champs n’étaient pas très optimistes quant à la disparition des quantités infinies en supergravité lorsque l’on poussait suffisamment loin la précision des calculs.

En 1984, les calculs de Michael B. Green et John H. Schwarz effectués dans le cadre de la théorie des supercordes portèrent un coup presque fatal à la théorie. En remplaçant les particules par des cordes et en augmentant jusqu’à 9 le nombre de dimensions de l’espace, on découvrit que l’on pouvait obtenir les électrons et les neutrinos du modèle standard tout en ayant une théorie de gravitation quantique finie.

les « cordes »

La théorie des supercordes est-elle vraiment incontournable ?

La situation est peut-être en train de se retourner depuis quelque temps. D’abord la théorie des cordes elle-même se révéla être un assemblage de 5 théories possibles et non pas une seule. Ensuite, on découvrit au début des années 1990 que ses 5 théories devaient être des cas particulier d’une théorie à 11 dimensions d’espace-temps faisant intervenir non plus des cordes mais des membranes. Or, à basse énergie en 11 dimensions la nouvelle théorie baptisée théorie M donne l’unique théorie de supergravité N=1 et des membranes. Compactée à la Kaluza-Klein en 4 dimensions, elle donne précisément la théorie de supergravité N=8.

schéma crédit:
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On comprend donc pourquoi, depuis quelques années, la question de l’apparition réelle de divergences infinies dans la supergravité D=4 et N=8 (où D est le nombre de dimensions de l’espace-temps) est examinée a nouveau. Si l’on en croit les travaux de chercheurs comme Michael Green, Pierre Vanhove et plus récemment Zvi Bern et Lance Dixon, certaines des divergences que l’on croyait devoir apparaître en supergravité N=8 au début des années 1980 lorsque l’on serait capable de pousser les calculs quelques crans plus loin… ne sont tout simplement pas là !

Il se pourrait donc bien qu’une théorie de supergravité pure en 4 dimensions, celle avec N=8, soit non seulement finie mais contienne effectivement le modèle électrofaible avec violation de la parité. La théorie des cordes n’est peut-être pas nécessaire après tout…

Mise à jour investigations ufoetscience, le: 20/10/2015 à 14h05.