Trois physiciens qui collaborent depuis un an dans la baie de San Francisco ont mis au point une nouvelle solution à un mystère qui assiège leur champ depuis plus de 30 ans. Ce casse-tête profond, qui a conduit des expériences sur des collisionneurs de particules de plus en plus puissants et a donné lieu à l’hypothèse controversée du multivers, équivaut à quelque chose qu’un élève de quatrième année brillant pourrait se demander: Comment un aimant peut-il soulever un trombone contre l’attraction gravitationnelle de la planète entière?
Malgré son influence sur le mouvement des étoiles et des galaxies, la force de gravité est des centaines de millions de milliards de milliards de fois plus faible que le magnétisme et les autres forces microscopiques de la nature. Cette disparité apparaît dans les équations de physique comme une différence tout aussi absurde entre la masse du boson de Higgs, une particule découverte en 2012 qui contrôle les masses et les forces associées aux autres particules connues, et la gamme de masse attendue des états gravitationnels de la matière encore non découverts.
En l’absence de preuves du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) d’Europe soutenant l’une des théories précédemment proposées pour expliquer cette hiérarchie de masse absurde — y compris la « supersymétrie » d’une élégance séduisante — de nombreux physiciens en sont venus à douter de la logique même des lois de la nature. De plus en plus, ils craignent que notre univers ne soit qu’une permutation aléatoire et plutôt bizarre parmi d’innombrables autres univers possibles — une impasse efficace dans la quête d’une théorie cohérente de la nature.
Ce mois-ci, le LHC a lancé son deuxième cycle très attendu avec près du double de son énergie d’exploitation précédente, poursuivant sa recherche de nouvelles particules ou phénomènes susceptibles de résoudre le problème de la hiérarchie. Mais la possibilité très réelle qu’aucune nouvelle particule ne se trouve au coin de la rue a laissé les physiciens théoriciens confrontés à leur « scénario cauchemardesque ». »Cela les a également fait réfléchir.
» C’est dans les moments de crise que de nouvelles idées se développent « , a déclaré Gian Giudice, physicien théorique des particules au laboratoire du CERN près de Genève, qui abrite le LHC.
La nouvelle proposition offre une voie à suivre. Le trio est « super excité », a déclaré David Kaplan, 46 ans, physicien théorique des particules de l’Université Johns Hopkins de Baltimore, dans le Maryland., qui a développé le modèle lors d’une année sabbatique sur la côte ouest avec Peter Graham, 35 ans, de l’Université de Stanford et Surjeet Rajendran, 32 ans, de l’Université de Californie à Berkeley.
Leur solution retrace la hiérarchie entre la gravité et les autres forces fondamentales jusqu’à la naissance explosive du cosmos, lorsque, suggère leur modèle, deux variables qui évoluaient en tandem se sont soudainement bloquées. À cet instant, une particule hypothétique appelée « axion » a enfermé le boson de Higgs dans sa masse actuelle, bien en dessous de l’échelle de gravité. L’axion est apparu dans les équations théoriques depuis 1977 et est considéré comme susceptible d’exister. Pourtant, personne, jusqu’à présent, n’a remarqué que les axions pouvaient être ce que le trio appelle des « relaxions », résolvant le problème de la hiérarchie en « relâchant » la valeur de la masse de Higgs.
« C’est une idée très, très intelligente », a déclaré Raman Sundrum, physicien théorique des particules à l’Université du Maryland à College Park, qui n’a pas participé à son développement. « Peut-être une version de cela est la façon dont le monde fonctionne. »
Au cours des semaines qui ont suivi la publication du document du trio en ligne, il a ouvert « un nouveau terrain de jeu » peuplé de chercheurs désireux de réviser ses faiblesses et de prendre ses prémisses de base dans des directions différentes, a déclaré Nathaniel Craig, physicien théoricien à l’Université de Californie à Santa Barbara.
« Cela semble être une possibilité assez simple », a déclaré Rajendran. « Nous ne sommes pas sur la tête pour faire quelque chose de fou ici. Ça veut juste marcher. »
Cependant, comme l’ont noté plusieurs experts, dans sa forme actuelle, l’idée présente des lacunes qui devront être soigneusement examinées. Et même s’il survit à cet examen, il pourrait prendre plus d’une décennie pour être testé expérimentalement. Pour le moment, ont déclaré les experts, le relaxion bouscule les vues à long terme et encourage certains physiciens à voir le problème de la hiérarchie sous un jour nouveau. La leçon, a déclaré Michael Dine, physicien à l’Université de Californie à Santa Cruz, et vétéran du problème de la hiérarchie, est de « ne pas simplement abandonner et supposer que nous ne pourrons pas le comprendre. »
Un équilibre contre nature
Malgré toutes les réjouissances entourant la découverte en 2012 du boson de Higgs, qui a complété le « Modèle standard » de la physique des particules et valu à Peter Higgs et François Englert le Prix Nobel de physique 2013, cela n’a pas surpris; l’existence de la particule et sa masse mesurée de 125 giga-électron volts (GeV) concordaient avec des années de preuves indirectes. C’est ce qui n’a pas été trouvé au LHC qui a laissé les experts perplexes. Rien n’est apparu qui puisse réconcilier la masse de Higgs avec l’échelle de masse prévue associée à la gravité, qui dépasse la portée expérimentale de 10 000 000 000 000 000 000 GeV.
« Le problème est qu’en mécanique quantique, tout influence tout le reste », a expliqué Giudice. Les états gravitationnels super-lourds devraient se mêler mécaniquement au boson de Higgs, contribuant ainsi à la valeur de sa masse. Pourtant, d’une manière ou d’une autre, le boson de Higgs finit par être léger. C’est comme si tous les facteurs gargantuesques affectant sa masse — certains positifs, d’autres négatifs, mais tous les dizaines de chiffres longs — s’annulaient comme par magie, laissant derrière eux une valeur extraordinairement minuscule. L’annulation improbable de ces facteurs semble « suspecte », a déclaré Giudice. « Vous pensez, eh bien, il doit y avoir autre chose derrière cela. »
Les experts comparent souvent la masse de Higgs finement réglée à un crayon posé sur sa pointe de plomb, poussé de cette façon et cela par des forces puissantes comme les courants d’air et les vibrations de la table qui ont en quelque sorte trouvé un équilibre parfait. « Ce n’est pas un état d’impossibilité; c’est un état de probabilité extrêmement faible », a déclaré Savas Dimopoulos de Stanford. Si vous tombiez sur un tel crayon, il a dit: « vous passeriez d’abord votre main sur le crayon pour voir s’il y avait une ficelle qui le tenait du plafond. vous regarderiez la pointe pour voir s’il y a du chewing-gum. »
Les physiciens ont également cherché une explication naturelle au problème de la hiérarchie depuis les années 1970, convaincus que la recherche les mènerait vers une théorie de la nature plus complète, peut-être même en faisant apparaître les particules derrière la « matière noire », la substance invisible qui imprègne les galaxies. « Le naturel a vraiment été le leitmotiv de cette recherche », a déclaré Giudice.
Depuis les années 1980, la proposition la plus populaire est la supersymétrie. Il résout le problème de hiérarchie en postulant un jumeau encore à découvrir pour chaque particule élémentaire: pour l’électron, un hypothétique « sélectron », pour chaque quark, un « carré », etc. Les jumeaux contribuent à des termes opposés à la masse du boson de Higgs, ce qui le rend immunisé contre les effets des particules gravitationnelles très lourdes (car elles sont annulées par les effets de leurs jumeaux).
Mais aucune preuve de supersymétrie ou d’idées concurrentes — telles que « technicolor » et « dimensions supplémentaires déformées » — n’est apparue lors du premier cycle du LHC de 2010 à 2013. Lorsque le collisionneur s’est arrêté pour des mises à niveau au début de 2013 sans avoir trouvé un seul « sparticule » ou tout autre signe de physique au-delà du Modèle standard, de nombreux experts ont estimé qu’ils ne pouvaient plus éviter d’envisager une alternative dure. Et si la masse de Higgs, et par implication les lois de la nature, n’étaient pas naturelles? Les calculs montrent que si la masse du boson de Higgs n’était que quelques fois plus lourde et que tout le reste restait le même, les protons ne pourraient plus s’assembler en atomes et il n’y aurait plus de structures complexes — pas d’étoiles ni d’êtres vivants. Alors, et si notre univers était vraiment aussi accidentellement affiné qu’un crayon en équilibre sur sa pointe, distingué comme notre adresse cosmique d’une gamme inconcevable d’univers à bulles dans une mer « multivers » éternellement moussante simplement parce que la vie nécessite un accident aussi scandaleux pour exister?
Cette hypothèse multiverse, qui plane sur les discussions sur le problème de la hiérarchie depuis la fin des années 1990, est considérée comme une perspective sombre par la plupart des physiciens. « Je ne sais tout simplement pas quoi en faire », a déclaré Craig. « Nous ne savons pas quelles sont les règles. »Les autres bulles du multivers, si elles existent, se situent au-delà des limites de la communication lumineuse, limitant à jamais les théories sur le multivers à ce que nous pouvons observer de l’intérieur de notre bulle solitaire. Sans aucun moyen de dire où se situe notre point de données sur le vaste spectre des possibilités dans un multivers, il devient difficile ou impossible de construire des arguments basés sur le multivers sur la raison pour laquelle notre univers est tel qu’il est. « Je ne sais pas à quel moment nous serions jamais convaincus », a déclaré Dine. « Comment le régleriez-vous ? Comment le sauriez-vous ? »
Le Higgs et le Relaxion
Kaplan s’est rendu dans la région de la baie l’été dernier pour collaborer avec Graham et Rajendran, qu’il connaissait car tous trois avaient travaillé à divers moments sous Dimopoulos, qui était l’un des principaux développeurs de la supersymétrie. Au cours de la dernière année, le trio a partagé son temps entre Berkeley et Stanford — et les différents cafés, restaurants et glaciers bordant les deux campus — échangeant « des morceaux embryonnaires de l’idée », a déclaré Graham, et développant progressivement une nouvelle histoire d’origine pour les lois de la physique des particules.
Inspirés par une tentative de Larry Abbott en 1984 d’aborder un problème de naturalité différent en physique, ils ont cherché à refonder la masse de Higgs en tant que paramètre évolutif, qui pourrait dynamiquement « se détendre » à sa valeur minuscule lors de la naissance du cosmos plutôt que de commencer comme une constante fixe, apparemment improbable. « Bien qu’il ait fallu six mois d’impasses et de modèles vraiment stupides et de choses très baroques et compliquées, nous avons fini par atterrir sur cette image très simple », a déclaré Kaplan.
Dans leur modèle, la masse de Higgs dépend de la valeur numérique d’un champ hypothétique qui imprègne l’espace et le temps : un champ d’axions. Pour l’imaginer, « nous pensons à la totalité de l’espace comme étant ce matelas 3D », a déclaré Dimopoulos. La valeur à chaque point du champ correspond à la compression des ressorts du matelas. Il est reconnu depuis longtemps que l’existence de ce matelas — et de ses vibrations sous forme d’axions — pourrait résoudre deux mystères profonds: Premièrement, le champ d’axions expliquerait pourquoi la plupart des interactions entre protons et neutrons se déroulent à la fois en avant et en arrière, résolvant ce que l’on appelle le problème du « CP fort ». Et les axions pourraient constituer la matière noire. Résoudre le problème de la hiérarchie serait une troisième réalisation impressionnante.
L’histoire du nouveau modèle commence lorsque le cosmos était un point infusé d’énergie. Le matelas axion était extrêmement comprimé, ce qui rendait la masse de Higgs énorme. Au fur et à mesure que l’univers se développait, les ressorts se détendaient, comme si leur énergie se répandait à travers les ressorts de l’espace nouvellement créé. Au fur et à mesure que l’énergie se dissipait, la masse de Higgs aussi. Lorsque la masse est tombée à sa valeur actuelle, elle a fait plonger une variable connexe au-delà de zéro, activant le champ de Higgs, une entité ressemblant à des molasses qui donne de la masse aux particules qui la traversent, telles que les électrons et les quarks. Les quarks massifs ont à leur tour interagi avec le champ d’axions, créant des crêtes dans la colline métaphorique que son énergie avait dévalée. Le champ d’axion est resté bloqué. Tout comme la masse de Higgs.
Dans ce que Sundrum a appelé une rupture radicale avec les modèles passés, le nouveau montre comment la hiérarchie des masses moderne a pu être sculptée par la naissance du cosmos. « Le fait qu’ils aient mis des équations à cela dans un sens réaliste est vraiment remarquable », a-t-il déclaré.
Dimopoulos a remarqué le minimalisme frappant du modèle, qui utilise principalement des idées préétablies. « Les gens comme moi qui ont beaucoup investi dans ces autres approches du problème de la hiérarchie ont été très heureusement surpris que vous n’ayez pas à regarder très loin », a-t-il déclaré. « Dans l’arrière-cour du modèle standard, la solution était là. Il a fallu des jeunes très intelligents pour s’en rendre compte.
« Cela élève le cours de l’action de l’axion », a-t-il ajouté. Récemment, l’expérience Axion Dark Matter de l’Université de Washington à Seattle a commencé à rechercher les rares conversions d’axions de matière noire en lumière à l’intérieur de champs magnétiques puissants. Maintenant, Dimopoulos a dit: « Nous devrions chercher encore plus fort pour le trouver. »
Cependant, comme de nombreux experts, Nima Arkani-Hamed de l’Institute for Advanced Study à Princeton, New Jersey, a noté qu’il était encore tôt pour cette proposition. Bien que « c’est définitivement intelligent », a-t-il déclaré, sa mise en œuvre actuelle est farfelue. Par exemple, pour que le champ d’axions se soit coincé sur les crêtes créées par les quarks plutôt que de les dépasser, l’inflation cosmique doit avoir progressé beaucoup plus lentement que la plupart des cosmologistes ne l’ont supposé. « Vous ajoutez 10 milliards d’années d’inflation », a-t-il déclaré. « Vous devez vous demander pourquoi toute la cosmologie s’arrange pour que cela se produise. »
Et même si l’axion est découvert, cela ne prouverait pas à lui seul qu’il s’agit du « relaxion » — qu’il détend la valeur de la masse de Higgs. Alors que le séjour de Kaplan dans la région de la baie se termine, lui, Graham et Rajendran commencent à développer des idées pour tester cet aspect de leur modèle. Il pourrait éventuellement être possible d’osciller un champ d’axions, par exemple, pour voir si cela affecte les masses de particules élémentaires voisines, par l’intermédiaire de la masse de Higgs. « Vous verriez la masse d’électrons trembler », a déclaré Graham.
Ces tests de la proposition n’auront pas lieu avant de nombreuses années. (Le modèle ne prédit aucun nouveau phénomène que le LHC détecterait.) Et de manière réaliste, ont déclaré plusieurs experts, il fait face à de longues chances. Tant de propositions intelligentes ont échoué au fil des ans que de nombreux physiciens sont sceptiques par réflexe. Pourtant, le nouveau modèle intrigant fournit une dose opportune d’optimisme.
« Nous pensions avoir pensé à tout et il n’y avait rien de nouveau sous le soleil », a déclaré Sundrum. « Ce que cela montre, c’est que les humains sont assez intelligents et qu’il y a encore de la place pour de nouvelles percées. »
Note de la rédaction: David Kaplan anime la série de vidéos In Theory du magazine Quanta.
Cet article a été réimprimé le Wired.com .