L’intrication quantique est certainement l’un des concepts les plus étranges issus des découvertes de la physique du XX^e siècle. Plusieurs physiciens de premier plan, dont Einstein, ont eu du mal à admettre la réalité de ce phénomène. Néanmoins, il a depuis été confirmé par de nombreux résultats de physique. Récemment, les collaborations ATLAS et CMS ont encore ajouté une pierre à l’édifice en trouvant des indices probants de l’intrication des bosons Z produits par les collisions au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

L’intrication quantique est un phénomène particulièrement déconcertant pour les physiciens : en mécanique quantique, une particule peut exister simultanément dans plusieurs états possibles. Lorsque deux particules sont dans un état d’intrication quantique, l’état de l’une détermine celui de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Ce concept d’intrication a poussé Einstein et ses collègues à contester la mécanique quantique, l’argument étant que des propriétés cachées doivent nécessairement exister pour déterminer les états des deux systèmes quantiques avant qu’ils ne soient mesurés. Néanmoins, les expériences ont systématiquement confirmé ce fonctionnement étrange qui fait que les particules présentent effectivement une intrication quantique.

La plupart des expériences ayant démontré l’intrication quantique prenaient appui sur des particules de faible énergie. L’intrication quantique observée au moyen du LHC est entièrement différente, car les collisions produisent des particules de très haute énergie. À ces énergies élevées, l’intrication quantique peut servir à étudier le boson de Higgs et ses interactions avec les particules élémentaires.

Par le passé, les collaborations ATLAS et CMS ont recherché des signes d’intrication quantique dans les particules à courte durée de vie produites par les collisions à haute énergie du LHC. Il y a quelques années, ATLAS et CMS ont observé l’intrication quantique des quarks top, qui sont les particules fondamentales les plus lourdes.

Dans des études récentes, ATLAS et CMS ont analysé la désintégration du boson de Higgs, obtenant ainsi la preuve inédite d’une intrication quantique entre deux bosons Z. Le boson Z étant le vecteur de la force nucléaire faible, déterminer son état potentiel d’intrication pourrait nous aider à mieux comprendre cette force fondamentale, ainsi que son comportement à des énergies extrêmes.

En règle générale, lorsque les scientifiques recherchent des signes d’intrication quantique, ils s’efforcent de trouver une corrélation entre les valeurs du spin des deux particules (le spin étant une prioriété quantique d’une particule). Alors que les quarks top peuvent occuper deux états de spin, +1 ou -1, les bosons Z peuvent en occuper trois : -1, 0 ou +1. Si deux bosons Z sont produits par la désintégration d’un boson de Higgs, la somme de leurs états de spin doit être égale à celle du boson de Higgs, soit zéro. Autrement dit, si l’état de spin d’un boson Z produit par la désintégration d’un boson de Higgs est +1, alors l’état de spin de l’autre boson Z provenant de cette même désintégration sera nécessairement -1.

Les bosons Z sont instables et se désintègrent presque immédiatement, si bien que les scientifiques ont cherché à détecter leur présence au moyen de leur désintégration en paires d’électrons ou de muons, que les détecteurs d’ATLAS et CMS peuvent mesurer. Les propriétés spin des bosons Z peuvent être reconstituées à partir de ces deux paires de particules et, à l’aide de l’analyse statistique, les chercheurs peuvent déterminer une mesure de l’intrication.

S’appuyant sur les données issues de la deuxième et de la troisième période d’exploitation du LHC, les collaborations ATLAS et CMS ont apporté la preuve tangible d’une intrication quantique entre les bosons Z produits par la désintégration d’un boson de Higgs. Ces résultats montrent que le boson de Higgs est un moyen crucial d’étudier l’intrication quantique à haute énergie. Ils ouvrent par ailleurs des perspectives intéressantes au regard du projet HiLumi LHC ; l’augmentation considérable du nombre de collisions dans la machine améliorée pourrait permettre de développer encore davantage l’étude de l’intrication quantique et des autres phénomènes quantiques à très haute énergie.