Le Mécanisme de Higgs

En 1964, un jeune physicien anglais nommé Peter Higgs suggera quelque chose à propos de l’Espace qui était si radical que cela a failli le ruiner.

Peter Higgs : On m’a dit que je racontais n’importe quoi, que je ne pouvais pas avoir raison. Ils n’avaient rien compris de ce que je disais.

L’énigme que Higgs et quelques autres physiciens essayaient de comprendre se résumait à ceci : Les particules fondamentales de l’Univers contiennent toutes différentes quantités de masse. Sans masse, ces particules ne se combineraient jamais pour former les atomes qui constituent tout ce que nous voyons autour de nous. Qu’est-ce qui crée la masse ? Et pourquoi différentes particules ont-elles des masses différentes ?

Faisant tout ce qu’ils pouvaient, personne n’a pu répondre à cette question. Mais un week-end, après une promenade aux alentours d’Edimbourg, Higgs eu une idée. En utilisant les mathématiques, il imagina l’Espace d’une manière différente en faisant comme si c’était une sorte d’océan. Les particules sont immergées dans cet océan et gagnent de la masse lors de leur déplacement à travers cet océan.

Pour voir comment cela fonctionne, imaginez la masse d’une particule comme un acteur célèbre, et l’océan comme une foule de paparazzi : certaines particules, comme des acteurs inconnus, passent facilement à travers; les paparazzi ne sont tout simplement pas intéressés. Mais d’autres particules, comme des superstars, doivent pousser pour se frayer difficilement un chemin. Et plus ces particules ont de difficulté à traverser, plus elles interagissent avec l’océan, et plus elle gagnent de masse.

Higgs était convaincu d’avoir fait une grande découverte. Mais lorsqu’il présenta son idée à une revue du CERN, elle fut rejetée.

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Théorie des Cordes et Supersymétrie

Le véritable nom de la théorie des cordes est en fait Théorie des Supercordes. « Supercordes » signifie « cordes supersymétriques ». La supersymétrie est une symétrie mathématique qui relie des choses dont on pensait qu’elles n’avaient aucun rapport entre elles.

Il existe des symétries par rotation, où un objet présente toujours les mêmes caractéristiques lorsqu’on le fait tourner, par exemple. Certaines classes de particules semblent très différente d’autres classes de particules par le fait qu’elles « tournent » différemment : elles ont un spin différent. Il y a des particules qui ont un spin de un demi (électrons, positrons, neutrinos, quarks), d’autres qui ont un spin de 1 (photons), et il y a des particules hypothétiques qui ont un spin de 0 (Boson de Higgs) ou 2 (Graviton).

La supersymétrie est une symétrie mathématique qui relie toutes ces particules : on peut dire en quelque sorte que chacune d’entre elle peut être transformée en une autre par un certain type de rotation. Si cela est exact, nous devrions pouvoir observer une autre classe de particules correspondant à une transformation par rotation de chacune des particules que nous connaissons.

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Les mathématiques : un très bon guide pour étudier l’invisible

Comment peut-on croire à une idée qui concerne des choses que nous ne pouvons pas voir ? Les scientifiques pensent que les mathématiques peuvent servir de passerelle vers la réalité.

Les équations de la théorie de la relativité générale d’Einstein, par exemple, semblaient indiquer que l’Univers était en expansion. Einstein, lui, n’y croyait pas. Mais quelques années plus tard l’expansion de l’Univers a été observée. Les mathématiques ont été confirmées par les observations. C’est la même chose pour les trous noirs : les équations de la relativité générale indiquaient leur existence et les observations l’ont confirmé plus tard. La théorie des cordes quant à elle indique la possibilité que notre Univers ne soit pas le seul, qu’il y en ait des milliards d’autres.

Selon la Théorie des cordes, les particules ne sont pas ponctuelles mais sont de minuscules cordes qui vibrent. Il peut également y avoir des membranes à 2 dimensions, 3 dimensions etc. Les mathématiques semblent suggérer que nous vivons sur l’une de ces membranes, une membrane à 3 dimensions.

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La Matière Noire : qu’est-ce que c’est ?

La théorie de la matière noire froide, publiée pour la première fois en 1984, affirme que la grande majorité de l’Univers est constituée de matière noire.

La matière noire est le nom donné à une substance dont nous soupçonnons l’existence mais que nous ne pouvons pas voir directement. Initialement appelée matière manquante, la matière noire n’interagit avec la matière normale que par l’intermédiaire de la force gravitationnelle. Etant donné que la plupart des connaissances que nous avons de l’Univers nous viennent de l’étude de la lumière, il est difficile de découvrir quoi que ce soit sur cette matière qui ne nous en envoie aucune et n’en absorbe aucune.

Les scientifiques ne peuvent donc étudier la matière noire que par les effets qu’elle a sur les objets célestes visibles.

Cette image composite (Rayons X à gauche et optique à droite) de l’amas de galaxie Abell 2029 montre un énorme nuage de gaz chaud qui enveloppe l’amas. Cet amas ne se comporte pas comme on pourrait s’y attendre compte tenu de la quantité de matière observée sur tout le spectre électromagnétique. Il faut plus de matière pour pouvoir l’expliquer. (Credit : NASA/CXC/UCI/A.Lewis et Pal Obs DSS)

L’espace entre les amas de galaxies est rempli de gaz chaud. En fait, ce gaz est tellement chaud (des dizaines de millions de degrés) qu’il brille en rayons X plutôt qu’en lumière visible.

En étudiant précisément la distribution du gaz chaud et sa température, on peut mesurer l’intensité de la force gravitationnelle exercée sur lui par toute la matière de l’amas. Il se trouve qu’il devrait y avoir environ 5 fois plus de matière dans cet amas de galaxie qu’il ne nous est possible d’en observer. La plupart de la matière de cet amas est invisible (il ne rayonne dans aucune fréquence du spectre électromagnétique).

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Mieux qu’un mariage : une cérémonie d’intrication quantique

L’année dernière, le AC Institute de la ville de New York proposait la possibilité d’un mariage officié par la physique quantique. Jonathan Keats, un « philosophe expérimental » autoproclamé, avait mis au point un appareil destiné à unir les couples par intrication quantique.

Dans le sens quantique, le mot « intrication » est utilisé pour décrire 2 particules qui restent connectées quelque soit leur éloignement et de telle sorte que des changements de propriété de l’une des particules modifie instantanément celles de l’autre.

Lorsqu’un photon traverse la matière, un électron du matériau l’absorbe et devient plus énergétique. L’électron finit par émettre un photon pour revenir à son état fondamental (état de plus basse énergie). Lorsque le matériau en question est d’un certain type comme un cristal appelé beta borate de baryum, le photon que l’électron émet est plus susceptible de se scinder en 2 photons d’une énergie égale à celle de la particule d’origine. Lorsque cela se produit, la paire de photons qui en résulte est dite intriquée.

Etant donné cette relation, si forte qu’elle reste valable même lorsque les particules se trouvent à des années-lumière l’une de l’autre, il est facile de comprendre pourquoi Keats a décidé d’appliquer le concept d’intrication quantique à une union romantique. Cette union consiste à bombarder les couples avec des particules de lumière intriquées via un protocole expérimental simple.

Le couple commence à marcher le long d’un couloir, de l’ombre à la lumière du Soleil. Au bout de ce couloir, le couple se place sur des marques pour se retrouver face à face, devant une fenêtre, et sous le système d’intrication qui a été précisément calibré (en utilisant un système de prismes ajustables) pour diviser la lumière du Soleil passant à travers un cristal non-linéaire (en beta borate de baryum) pour que la moitié de la lumière brille sur le visage de chacun des futurs époux. Ils restent là pendant une minute, pour permettre à d’innombrables photons intriqués de bombarder leur peau, intriquant délicatement leur peau par effet photoélectrique. Ensuite, ils ressortent par le couloir pour se retrouver à l’air libre.

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