05/01/2012 - La théorie des cordes. Y a-t-il une théorie du tout ?

Menéame

La physique, en fait, c’est deux sciences. Il y a la mécanique quantique, le monde étrange et tumultueux où les particules apparaissent et disparaissent et les chats sont à la fois vivants et morts.

Et il y a la relativité générale, la vision majestueuse d’Einstein d’objets massifs qui courbent l’espace et le temps.

Depuis que ces deux visions différentes du monde sont apparues au début du XXe siècle, des générations de physiciens ont essayé de les unifier en une seule théorie qui, idéalement, décrirait les quatre forces fondamentales de la nature Même Einstein a essayé, et a échoué. Aujourd'hui, après quelques décennies particulièrement frustrantes avec peu de nouvelles preuves pour nous guider, les physiciens actuels peuvent être sur le point de réaliser des indices tentants sur la façon dont les forces s’intègrent entre elles.

On s’attend à ce que les pistes viennent du Grand Collisionneur d’Hadrones, un anneau d’aimants superconducteurs dans les Alpes conçu pour impacter les protons les uns sur les autres sur les énergies jamais vues sur Terre. Le collisionneur a commencé à fonctionner en mars 2010 et devrait atteindre sa puissance maximale en 2014, alors qu’il tentera de collisionner des protons au double de l’énergie actuelle.

Même alors, le LHC sera loin d’être assez puissant pour recréer la seule force unifiée que les physiciens croient avoir existé pendant une fraction de seconde après le Big Bang - vous auriez besoin d’un collisionneur aussi grand que l’univers lui-même pour faire cela. Mais le LHC pourrait être en mesure de tester certaines des prédictions faites par la principale théorie qui unit la gravité et les autres forces.

La théorie des supercordes - ou la théorie des cordes à raccourcir - unit toute la physique dans un paquet, réduisant la taxonomie déconcertante des particules du bestiaire actuel de la physique, le Modèle Standard, à des fragments identiques de cordes, chacun de moins d’un milliardième de milliardième de centimètre de longueur. Selon la théorie des cordes, les particules qui portent les trois forces incluses dans le Modèle Standard - le photon (électromagnétisme), le gluon (force nucléaire forte) et les bosons W et Z (force nucléaire faible) - ne sont que les mêmes minuscules danseurs suivant chacun des rythmes différents.

Et contrairement au Modèle Standard, la théorie des cordes a une place pour la gravité.

Bien qu’il y ait des propositions à côté de la théorie des cordes qui essaient d’expliquer comment toutes les forces de la nature s’intégreraient, la plupart de ces théories ont de gros problèmes. Certaines, par exemple, prédisent l’existence de particules qui ne peuvent pas exister.

Le principal obstacle à la théorie des cordes est qu’elle exige qu’il y ait beaucoup plus de choses dans l’univers que les physiciens peuvent étudier, rendant la théorie très difficile à tester. Par exemple, la plupart des versions de la théorie des cordes exigent que l’univers ait 10 ou 11 dimensions - 9 ou 10 d’espace et une temporelle, au lieu des quatre que les gens expérimentent: haut-bas, avant-arrière-arrière, gauche-droite et passé-futur.

"Les forces sont unifiées en 11 dimensions, mais divisées en quatre dimensions," dit Gordon Kane, physicien de l’Université du Michigan à Ann Arbor.

Pour que la théorie des cordes puisse dire quelque chose sur la façon dont les forces apparaissent, les physiciens doivent calculer comment ils s’enroulent, ou "compactent," ces dimensions supplémentaires, dans les quatre qui nous sont familières.

La théorie des cordes fait également apparaître une population de particules compañeras à l’ombre pour chacune de celles qui sont actuellement connues, une idée appelée supersymétrie. En fait, la supersymétrie peut être nécessaire pour unifier les forces électromagnétiques, forte et faible, de sorte qu’il est important même si la théorie des cordes n’est pas correcte.

Quand les forces s’écrasent

Beaucoup de physiciens espèrent que le LHC trouvera des signes de particules supersymétriques et de dimensions spatiales supplémentaires.

"Même si nous n’allons pas aux autres dimensions, dans un certain sens les autres dimensions viendront à nous," dit la physique de Harvard Lisa Randall.

Dans les années 1990, lorsqu'il travaillait avec Raman Sundrum, maintenant à l’Université du Maryland à College Park, Randall a montré qu’il pourrait être possible de détecter la désintégration d’une particule porteuse de gravité provenant d’une dimension supplémentaire. Trouver une telle particule dans le LHC vérifierait l’existence des dimensions supplémentaires et suggérerait pourquoi la gravité est beaucoup plus faible que les trois autres forces.

"Je pense que ce serait assez surprenant," dit Randall. "Mais c’est une des choses que nous pourrions trouver, et c’est l’une de celles que nous devrions chercher."

La plupart des physiciens pensent qu’il est plus probable que le LHC trouve des preuves de partenaires supersymétriques des particules du Modèle Standard. L’apparence et les propriétés des compagnons établiraient des restrictions utiles sur la façon dont l’univers compatisse les 11 dimensions prédites par la théorie des cordes.

Par exemple, si la superparticule la plus légère se révèle être le win, la supercompagnon de boson W, porteur de la force faible, serait compatible avec une version de la théorie des cordes connue avec l’expressif appel de " Théorie M compactifiée dans un collecteur 7-D d’holonomie G2'.

De telles particules supersymétriques ont peut - être déjà été observées - non pas sur la terre, mais dans l’espace. Une partie de la matière obscure que l’on croit former plus de 80 pour cent de la matière de l’univers pourrait être composée de particules supersymétriques, restes des premiers moments de l’Univers. Au cours des dernières années, deux instruments spatiaux, le télescope de rayon Gamma Fermi et la mission italienne PAMELA, ont vu des signes de matière noire dans la Voie Lactée, sous forme de rayons gamma et antimatière qui auraient pu être produits par la collision de particules supersymétriques.

Puisque le LHC et les futurs collisions peuvent, pour le moment, amener les physiciens seulement jusqu'à ce moment ensemble après le Big Bang, la compréhension scientifique d’une théorie unifiée devra finalement porter de l’exploration de la vasteté de l’univers. Certains physiciens se demandent si une telle stratégie, qui dépend de la recherche et de l’interprétation des pistes laissées par la nature, peut produire des résultats comparables aux données expérimentales de haute précision qui ont conduit au Modèle Standard au XXe siècle.

Mais la théorie des cordes n’est pas la science du XXe siècle - en fait, le théoricien des cordes Edward Witten l’a décrite comme "physique du XXIe siècle qui est tombée par accident au XXe siècle ." Maintenant que le XXIe siècle est arrivé, il est temps que la théorie des cordes soit mise à l’épreuve.

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