Identifier les constituants élémentaires de la matière dont les quarks, bosons et électrons, et la manière dont ces particules interagissent les unes avec les autres, constitue l'un des plus grands défis des sciences physiques modernes. Résoudre ce problème en suspens permettra non seulement d'approfondir notre compréhension des premiers jours de l'univers, mais éclairera aussi les états exotiques de la matière, comme les supraconducteurs.

Outre les gaz, liquides et solides, la matière peut exister sous d'autres formes lorsqu'elle est soumise à des conditions extrêmes. De telles situations ont été rencontrées dans l'univers juste après le Big Bang, et ils peuvent également être imités en laboratoire. Et tandis qu'une pléthore de particules élémentaires ont été découvertes dans des collisionneurs à haute énergie, des questions complexes concernant leurs interactions et l'existence de nouveaux états de la matière restent sans réponse.

En collaboration avec le groupe expérimental d'Immanuel Bloch, Monika Aidelsburger et Christian Schweizer (Munich), et les théoriciens Eugene Demler et Fabian Grusdt (Harvard), Nathan Goldman et Luca Barbiero (Physique des systèmes complexes et mécanique statistique, Faculté des Sciences) ont proposé et validé une nouvelle approche expérimentale par laquelle ces riches phénomènes peuvent être étudiés.

Publié dans Physique de la nature , leurs travaux portent sur la réalisation expérimentale d'une "théorie de jauge sur réseau, " un modèle théorique initialement proposé par Kenneth Wilson, Récipiendaire du prix Nobel de physique en 1982, pour décrire les interactions entre les particules élémentaires telles que les quarks et les gluons. Les auteurs démontrent que leur dispositif expérimental, un gaz ultrafroid d'atomes manipulé par des lasers, reproduit les caractéristiques d'un tel modèle. Le défi consistait à mettre en œuvre des interactions bien définies entre les particules de matière et les bosons de jauge, qui sont les médiateurs des forces fondamentales. Dans le contexte de l'atome froid, ces types de particules sont représentés par différents états atomiques, qui peut être adressée de manière très fine à l'aide de lasers.

Cette nouvelle approche expérimentale constitue une étape importante pour la simulation quantique de théories plus sophistiquées, qui pourrait éventuellement faire la lumière sur des questions ouvertes en physique des hautes énergies et du solide à l'aide d'expériences sur table.