Particule de Majorana

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En physique des particules, une particule de Majorana est une particule théorique de type fermion qui est sa propre antiparticule. Ces particules sont nommées en hommage au physicien qui a proposé ce modèle, Ettore Majorana en établissant l'équation qui porte son nom.

Historique[modifier | modifier le code]

En 1928, Paul Dirac publie l'article qui contient l'équation de Dirac. Motivé par l'étude des électrons, l'article généralise l'équation aux particules de spin un demi, mais impose des facteurs imaginaires. En 1937, Majorana revoit l'équation de Dirac et trouve une interprétation avec des facteurs réels. Les travaux de Majorana restèrent sans suite près de 20 ans quand la découverte des neutrinos en 1956 amène à réétudier ses résultats ; depuis, les travaux de Majorana sont régulièrement au cœur de la physique[1].

Études théoriques[modifier | modifier le code]

Pour qu'une particule soit sa propre antiparticule elle doit posséder les propriétés suivantes :

  • être électriquement neutre, une antiparticule ayant toujours une charge opposée à celle de sa particule ;
  • avoir des moments dipolaires nuls car ils s'inversent par rapport au sens du spin chez l'antiparticule[2].

Aucune particule de Majorana n'avait été attestée dans la nature, selon les expériences et conclusions scientifiques fin 2011, bien qu'il soit théoriquement possible d'en observer sous forme de quasi-particule lors d'expériences de supraconductivité[1].

En février 2012, l'équipe de Leo Kouwenhoven (nl) de l'université de technologie de Delft réalise une expérience[3] avec des nanofils en alliage semi-conducteur indium-antimoine reliés à un circuit électrique par un contact en or d'un côté et un supraconducteur de l'autre. Un faible champ magnétique est créé et l'on mesure la conductance électrique des nanofils à différentes intensités. Kouwenhoven reste prudent mais pense que les résultats de l'expérience, à savoir la production d'une paire de particules de Majorana constituées d'électrons couplés à des trous, sont fortement compatibles avec la découverte de quasi-particules dont le comportement reproduit celui de réelles particules de Majorana[4].

Particules potentiellement de Majorana[modifier | modifier le code]

Le neutrino pourrait être soit une particule de Majorana, soit une particule de Dirac. Si c'est une particule de Majorana, alors la double désintégration bêta sans neutrino est possible ; l'expérience NEMO, en cours depuis 2011, cherche à vérifier cette hypothèse[5].

L'hypothétique neutralino du modèle supersymétrique, modèle notamment utilisé dans la théorie des supercordes, est une particule de Majorana.

Les photons, les bosons Z voire les gravitons − bien que ces derniers soient hypothétiques, la propriété est vraie s'ils existent − sont leur propres antiparticules, mais on ne peut pas les qualifier de particules de Majorana pour autant. Ce sont des bosons pour lesquels la distinction entre particules de Dirac et de Majorana n'a pas de sens.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b F. Wilczek, Majorana returns, Nature Physics 5, 614 (2009). doi:10.1038/nphys1380 Texte complet
  2. (en) Georg G. Raffelt, Stars as laboratories for fundamental physics: the astrophysics of neutrinos, axions, and other weakly interacting particles, University of Chicago Press, 1996 p.253 (ISBN 9780226702728)
  3. (en) V. Mourik, K. Zuo, S. M. Frolov, S. R. Plissard, E. P. A. M. Bakkers et L. P. Kouwenhoven, « Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices », Science,‎ 12 avril 2012 (DOI 10.1126/science.1222360) arxiv:1204.2792
  4. (en) Quest for quirky quantum particles may have struck gold doi:10.1038/nature.2012.10124
  5. (en) The Neutrino Ettore Majorana Observatory, page de présentation du projet NEMO

Articles connexes[modifier | modifier le code]