Laboratoire de Physique de Clermont

La description du monde de l'infiniment petit est soutendue par les lois de la physique quantique et la relativé. L'une des propriétés fondamentales de la physique quantique, qui est sans doute aussi la plus déroutante, est l'intrication quantique qui défie notre intuition et remet en question notre compréhension de la réalité. À l'échelle microscopique, les particules subatomiques telles que les électrons et les photons peuvent devenir intriquées, un état du système global qui induit une corrélation particulière entre les propriétés des sous-systèmes. Cela signifie que lorsque nous mesurons une de ces particules, nous influençons instantanément l'état de l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare, même si cette distance est astronomique. Les conséquences de ce phénomène, que ce soit sur notre compréhension du monde (notion de variables cachées et inégalités de Bell), ou sur les retombées technologiques (cryptage, ordinateur quantique, etc...) ont conduit au prix Nobel 2022 dont l'un des lauréats est Alain Aspect.

L'expérience ATLAS a observé l'intrication quantique entre deux quarks top produits dans les collisions proton-proton effectuées au LHC, résultat publié dans Nature [1]. Le principe de la mesure repose sur l'étude de la dépendance du nombre de paires de quark produites en fonction de l'angle entre les deux leptons issus de leur désintégration. Cette dépendance est en fait linéaire, et on peut montrer la valeur de la pente renseigne directement sur la nature de l'état quantique des deux quarks top produits : une pente inférieure à -1/3 démontre que la paire de quark est intriquée. Il se trouve que l'intrication quantique est attendue tout particulièrement lorsque la paire ttbar est produite quasiment au repos, c'est-à-dire juste au dessus de seuil de masse. La figure ci-dessous montre la mesure de cette pente pour différentes valeurs de masse invariante du système top-antitop.

Les valeurs indiquées prennent en compte les processus de radiations et d'hadronisation qui surviennent avant que les particules stables puissent être mesurées par ATLAS. Ceci explique que les limites d'intrications (en gris) ne sont pas exactement à -1/3 et pourquoi elles dépendent du modèle utilisé pour décrire ces phénomènes de radiations et d'hadronisation. Les données en noir montrent clairement que le système top-antitop est intriqué à basse masse invariante.

L'équipe ATLAS du LPCA a été impliqué dans les débuts de l'analyse conduisant à ce résultat, en travaillant sur différents aspects comme la reconstruction complète du quark top (non aisée en raison de la présence de deux neutrinos dans l'état final), les procédures statistiques d'extraction de l'observable d'intérêt, ainsi que l'exploration de l'impact d'une nouvelle physique sur l'intrication.