Découverte d’une nouvelle particule exotique

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Les théoriciens Mark Goerbig et Pascal Lederer (Laboratoire de physique des solides, CNRS-Université Paris 11 Orsay) et Cristiane de Morais Smith (Université de Fribourg) ont bâti une théorie qui valide la découverte d’une nouvelle particule dans un cristal de semi-conducteur. Formée d’une particule déjà connue et d’un tourbillon de gaz électronique dans un champ magnétique, sa charge est une petite fraction de la charge électronique.

La découverte d’une particule est généralement associée aux expériences menées dans des synchrotrons, immenses anneaux de plusieurs kilomètres de diamètre où des particules nucléaires chargées électriquement tournent sous l’influence d’un champ magnétique, et sont précipitées les unes contre les autres à des vitesses très proches de celle de la lumière. Des débris de ces collisions surgissent des particules nouvelles, prédites ou non par les théoriciens.

C’est pourtant dans un morceau de semi-conducteur de la taille d’une allumette que la nouvelle particule décrite par les chercheurs du CNRS et de l’université de Fribourg a été découverte...Son existence avait été prédite en 2003 par des physiciens de Princeton (Wei Pan et coll.) lors de la mesure de la résistance d’un « gaz d’électrons bi-dimensionnel ». L’expérience consiste à plonger un échantillon de semi-conducteur dans un champ magnétique et à observer la réaction de ses électrons. Normalement, on observe une variation de la résistance proportionnelle au champ magnétique (effet Hall). Mais là, les scientifiques ont constaté sur la courbe de variation la présence d’un plateau horizontal indépendant du champ. Cette anomalie, d’après eux, ne pouvait s’expliquer que par l’effet d’une nouvelle particule.

Cette hypothèse s’inscrivait dans la mouvance des recherches qui ont valu le prix Nobel à von Klitzing en 1985 et à Tsui, Störmer et Laughlin en 1998. Ces derniers avaient eux-mêmes observé des plateaux expliqués par l’apparition de nouvelles particules, composées d’un électron et d’un tourbillon de gaz électronique. Leurs propriétés sont radicalement nouvelles par rapport aux constituants élémentaires du gaz d’électrons : leur charge est le tiers de la charge électronique (considérée jusqu’alors comme la plus petite possible dans un métal) et l’effet d’un champ magnétique sur leur trajectoire est beaucoup plus faible que sur un électron. Dans le monde des particules élémentaires, on a longtemps cru qu’il ne pouvait exister que deux sortes de particules quantiques, les fermions et les bosons (ceci est vrai dans notre monde à trois dimensions, mais on sait depuis une vingtaine d’années que ce n’est pas vrai à deux dimensions). Comme la nouvelle particule comportait un électron (qui est un fermion), elle a été appelée « Fermion composite (FC) ».

Le plateau observé par les physiciens de Princeton est apparu dans un domaine de champ magnétique où les FC n’auraient pas dû se manifester. Ils ont donc imaginé que l’effet provenait de l’apparition d’une particule fille du FC qu’ils ont nommée « Fermion Composite de 2e génération ».

Pascal Lederer, Mark Goerbig et Cristiane de Morais Smith viennent donc de confirmer cette hypothèse de FC2 par une théorie simple qui, non seulement confirme entièrement l’intuition de Wei Pan et coll., mais permet de décrire la nouvelle particule de façon détaillée, de calculer ses propriétés, sa charge (1/9 de la charge électronique !), sa structure, sa taille, etc... En validant l’existence de cette nouvelle particule, ces chercheurs viennent donc d’initier l’exploration d’un nouveau domaine...

Ces travaux théoriques, dès qu’ils ont été reconnus, ont été publiés par Physical Review B seulement 15 jours après leur acceptation.

Références :
W. Pan, H. Stormer, D. C. Tsui, L. N. Pfeiffer, K. W. Baldwin, and K. W. West, Physical Review Letter. 90, 016801, (2003)

M. O.Goerbig, P. Lederer and C. Morais Smith, Physical. Review. B 69, 155324, (15 avril 2004)

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