Page 22 - 2013 French Annual Repoprt

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recherche
La physique des particules est le domaine de la science qui
identifie les constituants de la nature et leurs interactions au
niveau le plus fondamental. Elle recoupe donc nettement la
théorie des cordes, la gravitation quantique et la cosmologie. À
l’Institut Périmètre, les chercheurs en physique des particules
comparent souvent des idées théoriques avec des observations
astrophysiques et des expériences menées sur terre, par exemple
au grand collisionneur de hadrons du CERN. Ils étudient comment
de tels résultats peuvent nous aider à concevoir la physique au-
delà du modèle standard.
DU NOUVEAU SUR LES FORCES À
LONG RAYON D’ACTION
Il y a des lacunes dans notre compréhension des forces à long rayon
d’action, mais
Philip Schuster
et
Natalia Toro, professeurs à l’Institut
Périmètre
, ont entrepris de les combler.
Notre univers possède deux forces connues qui peuvent agir au-delà
des galaxies : la force électromagnétique et la gravité. Elles sont toutes
deux transmises par des particules dépourvues de masse – le photon
pour la force électromagnétique, le graviton pour la gravité.
Les photons et les gravitons (ainsi que de nombreuses autres
particules) ont une propriété intrinsèque appelée spin. Bien que ce
soit une analogie imparfaite, on peut imaginer le spin comme la plus
petite barre aimantée possible, qui donne aux particules un pôle nord
et un pôle sud et pouvant pointer dans n’importe quelle direction.
Lorsque le spin et le moment sont alignés, on parle aussi d’
hélicité
. Le
spin peut avoir différentes valeurs. C’est aussi le cas de l’hélicité : des
particules peuvent avoir une hélicité de 1, 2, 3, etc.
D’autre part, il est bien connu que la nature des forces transmises
par des particules dépourvues de masse est déterminée par l’hélicité
de ces particules. Par exemple, le fait que des charges électriques
ressentent également les forces magnétiques découle naturellement
d’une modélisation de ces forces avec des particules dont l’hélicité
est de 1. Les symétries de la gravité sont une conséquence de sa
modélisation avec une hélicité de 2.
Dans les années 1960, Steven Weinberg a démontré que les
particules ayant une hélicité élevée (3 ou plus) ne peuvent pas
transmettre des forces. Mais il restait la possibilité – à laquelle on
faisait rarement attention – que des forces à long rayon d’action
puissent être transmises par des particules pouvant avoir une hélicité
(quantifiée) quelconque. De telles particules sont appelées
particules
à spin continu
, en abrégé PSC. Pour différentes raisons, on a souvent
supposé que les PSC ne transmettent pas de forces à long rayon
d’action, mais cette hypothèse est demeurée non vérifiée jusqu’à
ce que Philip Schuster et Natalia Toro commencent leurs travaux en
2011.
Partant de zéro, et n’utilisant que les hypothèses fondamentales de la
relativité et de la mécanique quantique, ils ont commencé à élaborer
un modèle de forces à long rayon d’action transmises par des PSC. Ils
se sont rendu compte que les PSC sont beaucoup plus cohérentes,
sur les plans théorique et phénoménologique, que ce que l’on croyait
auparavant.
De fait, leurs résultats révèlent la possibilité passionnante que les
forces connues puissent être transmises par des PSC. Comme la
nature d’une force est déterminée par l’hélicité des particules qui la
transmettent, cela modifierait de manière subtile et intéressante notre
compréhension des forces. Ces travaux pourraient constituer une
véritable percée dans notre compréhension des forces à long rayon
d’action dans la nature.
Physique des particules