Centre de Physique Théorique

Exposition photo "La frontière de l'intensité : sonder l'inconnu"

Thierry Masson — 2021-10-07T16:50:31Z

Dans sa démarche pour comprendre l'origine, le fonctionnement et le destin de l'univers dans lequel nous vivons, l'humanité a développé plusieurs axes de recherche.

La physique des particules en est un : elle étudie les constituants les plus fondamentaux de la matière et leurs interactions. La physique des particules à la frontière de l'intensité sonde l'inconnu grâce à des faisceaux très intenses de particules.

Le projet « La frontière de l'intensité : sonder l'inconnu » pose un nouveau regard sur ce chemin de recherche. La narration par images, conçue par les physiciennes et physiciens du Groupement de Recherche "Intensity Frontier" (GDR-InF) des instituts IN2P3 et INP du CNRS, montre les enjeux et la stratégie de la frontière de l'intensité, et permet d'admirer des réalisations technologiques extraordinaires. De plus, elle dévoile une activité humaine à part entière.

Le 23 octobre de 17 h à 18h30, rencontre avec des chercheurs CNRS.

Dans le cadre de l'exposition photographique, conférences de Justine Serrano (CPPM) et Laurent Lellouch (CPT), suivies d'une table-ronde avec Aoife Bharucha (CPT), Justine Serrano (CPPM), Laurent Lellouch (CPT) et Olivier Leroy (CPPM), animée par Jérôme Charles (CPT).

Détails pratiques

Une particule exotique prédite il y a 40 ans par les théoriciens découverte au CERN

Thierry Masson — 2021-09-08T08:40:23Z

L'expérience LHCb du CERN vient de présenter la découverte d'une nouvelle particule “exotique” de la classe des tétraquarks. Alors que les protons et neutrons et autres baryons sont formés de 3 quarks et que les mésons sont un assemblage quark-antiquark, les tétraquarks sont composés d'une paire de quarks associée à une paire d'antiquarks. Jusqu'à récemment, leur existence n'était qu'hypothétique, un point crucial étant leur stabilité vis à vis de leur chance de désintégration en mésons plus légers, ce qui conditionne leur durée de vie.

Il se trouve que l'existence de ce type de tétraquark avait été prédite il y a 40 ans dans le cadre de modèles d'interaction entre quarks. Un trio de physiciens, Jean-Marc Richard (CERN/Orsay/Lyon), Jean-Pierre Ader (CNRS Bordeaux) et Pierre Taxil, actuellement Professeur émérite à AMU et au CPT, alors en post-doc à l'Université de Neuchâtel), s'étaient intéressés à la question de la stabilité d'un tel objet vis à vis de ses chances de désintégration en mésons plus légers (chaque méson est composé d'un quark et d'un antiquark). Il avait été montré de façon assez générale que la configuration comprenant deux quarks lourds et deux antiquarks légers était susceptible d'être nettement plus stable que, par exemple, une configuration qui associerait deux quarks lourds à deux antiquarks lourds.

Or, c'est précisément un tel objet constitué de deux quarks lourds charmés “c” et de deux antiquarks légers “ordinaires” anti-u et anti-d (voir dessin) qui vient d'être mis en évidence par l'expérience LHCb auprès du collisionneur phare du CERN : le LHC.

Conséquence de cette stabilité, cette nouvelle particule composite, notée Tcc+, survit 10 à 1000 fois plus longtemps que les autres multiquarks éphémères dont la présence a pu être mise en évidence ces dernières années. En somme cette “molécule de quarks” est l'équivalent des molécules atomiques stables des chimistes. Cette particule est peut être le précurseur de toute une famille de multiquarks stables, “Collages de particules” (voir Le Monde du 15 Août 2021), contenant des quarks lourds (quarks charmés “c” ou quarks “b” porteurs de “beauté”) : dans ce cas l'étude fine de ces états pourrait permettre de mieux contraindre les modèles théoriques d'interaction entre les quarks.

On peut noter que des travaux de fond peuvent donner leurs fruits après de longues années : c'est bien là souvent la démarche du physicien théoricien, en somme plus proche de l'horizon du forestier que de celui de l'homme pressé !

(Crédit image : CERN)

Références :

Réflexion d'Andreev de charges électroniques fractionnaires dans l'effet Hall quantique

Thierry Masson — 2021-05-26T09:33:10Z

A l'interface entre un conducteur et un supraconducteur, un électron incident peut être transmis dans le supraconducteur comme deux électrons formant une paire de Cooper, grâce à la réflexion d'un trou dans le conducteur : c'est la réflexion d'Andreev. Des chercheurs de l'équipe de nanophysique du CPT (CNRS-AMU), en collaboration avec une expérience menée à NTT Research Labs (Atsugi-Japon), ont mis en évidence le même effet pour un gaz d'électrons bidimensionnel et des charges fractionnaires. Cette étude constitue une étape importante dans la compréhension et la manipulation de ces quasiparticules.

Dans des structures semiconductrices, il est possible de confiner les électrons à l'interface de deux couches, et de former ainsi un gaz d'électrons bidimensionnel. En appliquant un champ magnétique fort, et en se plaçant à très basse température, le système passe dans un régime dit de l'effet Hall quantique entier. On observe alors la quantification extrêmement précise de la conductance (l'inverse de la résistance). Cette quantification s'explique par les propriétés topologiques du système : le courant est entièrement porté par des états unidimensionnels d'électrons le long des bords du système, que l'on appelle états de bord, et la valeur de la conductance est directement reliée au nombre de ces états de bord. En augmentant encore le champ magnétique, on obtient le régime d'effet Hall quantique fractionnaire. Le rôle des interactions électroniques devient ici essentiel : si le courant est toujours porté par des états de bord, les excitations fondamentales du système ne sont plus les électrons, mais des quasiparticules de charge fractionnaire (par exemple e/3, où e est la charge électronique) qui résultent du comportement collectif des électrons en interaction.

L'expérience menée dans le groupe de M. Hashisaka à NTT Basic Research labs. à Atsugi (Japon) étudie le transport dans une jonction entre une partie du système qui est dans l'effet Hall quantique entier et une autre dans l'effet Hall quantique fractionnaire (première figure ci-dessous). Les excitations élémentaires étant de nature différente des deux côtés de la jonction (électrons d'un côté, charge fractionnaire $e/3$ de l'autre côté), le transport est non-trivial. Lorsque les états de bord de deux côtés de la jonction sont fortement couplés, le processus fondamental peut se comprendre ainsi : deux quasiparticules de charge $e/3$ incidentes du côté fractionnaire sont transmises comme un électron du côté entier, alors qu'un trou de charge $e/3$ est réfléchi du côté fractionnaire. Ce processus est analogue à la réflexion d'Andreev à la jonction entre un métal normal et un supraconducteur, lorsqu'un électron est réfléchi comme un trou, avec transmission d'une paire de Cooper (2 électrons) du côté supraconducteur, ce qui mène à une conductance supérieure à celle du métal normal.

Cette expérience offre la première observation de ce transport de type Andreev dans un système de Hall fractionnaire, prévu théoriquement il y a une vingtaine d'années. Cela se manifeste sous la forme d'oscillations de la conductance lorsque l'ouverture de la jonction est changée, avec un maximum de la conductance clairement supérieur à la conductance G=⅓ (e²/h) du système fractionnaire (seconde figure ci-dessous). Grâce à un modèle où les deux états de bords sont connectés en plusieurs positions - dont le nombre est proportionnel à la largeur de la jonction - les physiciens de l'équipe de nanophysique du CPT (CNRS/Aix-Marseille Univ.) à Marseille ont pu expliquer théoriquement le comportement observé de la conductance, mettant en évidence la dynamique complexe de charges microscopiques à l'interface de systèmes électroniques topologiques en interaction. Cette étude montre notamment que la réflexion de type Andreev est un phénomène général dans des systèmes hybrides en matière condensée. Elle est publiée dans la revue Nature Communications.


Vue par microscope électronique du système, en fausses couleurs

Les zones bleues et rouges représentent le gaz d'électron dans le régime de l'effet Hall entier (bleu) et fractionnaire (rouge). Les lignes bleues et rouges montrent le trajet des états de bord où se déroule le transport. La jonction est la petite zone étroite entre $1/3$ et 1 où les états rouges et bleus sont confondus. Son ouverture est contrôlée par une tension $V_s$ appliquée à la grille (jaune). La tension $V_1 =Vin$ est appliquée sur l'état de bord incident du côté fractionnaire et une tension nulle $V_3 =0$ est appliquée sur l'état de bord incident du côté entier. La mesure du courant de sortie I donne accès à la conductance, en fonction de la tension $V_S$ appliquée.


Conductance de la jonction en fonction de la tension VS qui contrôle son ouverture (de complètement fermée à gauche à très largement ouverte à droite).

Dans la région de $V_S$ proche de -1 V, où la jonction est étroite, on observe des oscillations de la conductance qui dépassent nettement la valeur $G=\frac13 \frace^2h$, et qui démontrent la présence de réflexion de type Andreev des quasiparticules de charge fractionnaire. L'encart montre les prédictions obtenues avec le modèle théorique, qui reproduisent qualitativement les observations expérimentales. Les différentes courbes correspondent à plusieurs configurations aĺéatoires différentes des connections entre les deux états de bord.

Bibliographie :
Andreev reflection of fractional quantum Hall quasiparticles. M. Hashisaka, T. Jonckheere, T. Akiho, S. Sasaki, J. Rech, T. Martin et K. Muraki, Nature communications 12, 2794 (2021)

DOI : https://www.nature.com/articles/s41467-021-23160-6
Cond-mat : https://arxiv.org/abs/2105.08916
HAL : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03231064v1

Un ancien chercheur du CPT à l'honneur dans le journal Le Monde

Thierry Masson — 2021-03-29T14:41:18Z

Claude Bourrely, ancien chercheur du CPT aujourd'hui retraité, a été interviewé sur certains de ses travaux par un journaliste du Monde (Supplément Science et Médecine du
17 Mars 2021 page 25) : Le proton, cette particule essentielle et mal définie de la matière

Claude Bourrely a commencé à travailler en Physique Théorique en 1961. En retraite depuis 2005, il continue néanmoins à faire de la recherche. À 83 ans il vient de publier un article à Physics Letters B 813 (2021) 136021.

En 2001, en collaboration avec Jacques Soffer (ancien chercheur du CPT aujourd'hui décédé) et Franco Buccella (Université de Rome), Claude Bourrely a créé un modèle statistique du proton pour décrire sa structure en termes de quarks et d'antiquarks. Ce modèle explique parfaitement toute une série de mesures expérimentales sur les fonctions de structures obtenues auprès des accélérateurs. On sait qu'un proton est constitué de deux quarks "up" et d'un quark "down", ces derniers étant constitués à leur tour d'une partie valence et d'une partie mer (antiquarks, "up" et "down").

Autour des années 2001 une expérience faite à Fermilab a permis de mesurer pour la première fois le rapport antiquark "down" sur antiquark "up" : ce rapport montrait une décroissance en fonction de l'impulsion emportée par les antiquarks dans un domaine de grandes valeurs de celle-ci. Ce comportement était très bien décrit par les modèles théoriques des quarks produits par de nombreux auteurs. Toutefois, le modèle statistique du proton de Bourrely-Soffer-Buccella prévoyait une croissance à grande impulsion et donc était en désaccord avec cette expérience.

La mesure de ce rapport a été refaite par l'expérience SeaQuest à Fermilab et en 2020 les nouvelles mesures montrent une croissance de ce rapport en fonction de l'impulsion emportée par les antiquarks. Donc, 20 ans après, ce modèle statistique a été confirmé par l'expérience. Ce résultat de l'expérience SeaQuest a fait l'objet d'une publication dans Nature 590 (2021) 561-565 du 25 février (voir figure ci-dessous).

A la suite de cette publication Nathalie Wolchover a écrit un article de revue dans Quanta Magazine,
ce qui a conduit un journaliste du Monde à contacter Claude Bourrely pour une interview au sujet de l'expérience SeaQuest et sur les résultats de ses travaux.

Crédit figure : Journal Nature & Paul Reimer

Dépistage du COVID-19 : un nouveau modèle pour évaluer l'efficacité des tests groupés

Thierry Masson — 2021-03-26T17:22:18Z

Avec deux enseignants-chercheurs de l'Université Grenoble Alpes et de l'Université Sorbonne Paris Nord, un chercheur CNRS du CPT, Jean-François Rupprecht, a développé un modèle évaluant l'efficacité des tests groupés dans la surveillance de l'épidémie COVID-19. L'étude propose une méthodologie pour évaluer le nombre de faux négatifs potentiels en fonction du nombre d'échantillons regroupés, optimiser la taille des groupes pour minimiser le risque d'apparition d'un foyer épidémique et mieux déterminer le nombre de personnes contaminées dans une population donnée. L'étude a été publiée le 4 mars dans PLOS Computational Biology.

Pour en savoir plus

Roger Penrose Nobel Prize 2020

Thierry Masson — 2020-10-13T15:46:55Z

A prestigious friend of the CPT has received the 2020 Nobel Prize for his work on black hole physics. Roger Penrose has given a tremendous amount of contributions to science, and his ideas are highly influential for some of the research done in our lab. His close ties with the CPT have materialized in his visit to our local master program in 2014 and his participation in the local conference Twistors Meet Loops organized by the quantum gravity team in 2019.

The Centre de Physique Théorique is extremely happy for this award, and looks forward to more scientific interactions with him in the future.

Alain Barrat awarded Fellowship of the NetSci Society

Alain Barrat — 2020-09-25T17:10:34Z

The Fellowship Program of the Network Science Society recognizes researchers who have made outstanding and significant contributions to network science research and to the community of network scientists. Elected nominees are named Fellows of the Network Science Society.

The citation from the selection committee for Alain Barrat reads: "For his many key and seminal contributions to complex network theory and to the understanding of their dynamical properties, including the most recent advancements to the theory of simplicial complexes in social contagions."

View online : Network Science Society

Alain Barrat awarded Fellowship of the NetSci Society

Alain Barrat — 2020-09-25T09:35:43Z

View online : Network Science Society

Tomasso de Lorenzo won the 2020 Giulio Rampa...

Thierry Masson — 2020-09-18T06:49:52Z

Tomasso de Lorenzo won the 2020 Giulio Rampa Thesis Prize for Outstanding Research in General Relativity.

From the committee :

"Dr. De Lorenzo's thesis, “Black holes as a Gateway to Quantum : Classical and Semi-classical Explorations” masters an impressive range of topics in quantum gravity, providing novel insights into deep conceptual problems of classical and quantum black holes physics. The fresh point of view discussed by Tommaso De Lorenzo has already influenced several existing approaches to analyze black hole evaporation and it will certainly continue to have an impact on the subject. It is a pleasure to see a Ph.D. thesis accomplish such a feat in a research field where one has to master a very large body of ideas in differential geometry, general relativity and quantum field theory and make real progress…"

Les nouvelles technologies pour mesurer les réseaux sociaux des primates

Thierry Masson — 2020-04-08T14:08:58Z

Le plus souvent, les relations sociales entre animaux sont analysées via des observations directes de leurs comportements. Les nouvelles technologies à base de capteurs automatiques, moins coûteuses et de plus en plus utilisées, peuvent-elles remplacer l'observation détaillée ? Une équipe interdisciplinaire de chercheurs du Centre de Physique Théorique et du Laboratoire de Psychologie Cognitive a montré que, bien que les capteurs ne capturent pas forcément toutes les interactions dans un groupe d'animaux, ils donnent au final la même vision de la structure sociale du groupe en un temps moindre. De tels capteurs représentent donc une voie prometteuse pour étudier les dynamiques sociales animales. Ces résultats sont présentés dans l'article "Measuring social networks in primates : wearable sensors versus direct observations", par Valeria Gelardi, Jeanne Godard, Dany Paleressompoulle, Nicolas Claidière, Alain Barrat, publié dans Proceedings of the Royal Society A 476:20190737 (2020)