Une nouvelle étape dans le monde caché de la physique des basses énergies

Cependant, les chercheurs ne se déplacent pas entièrement dans le noir. Ils ont quelques indices à leur disposition. L’astuce consiste à les rassembler.

« C’est un peu comme être un détective », explique Jaume Gomis, professeur à l’Institut Périmètre.

Gomis et deux anciens doctorants de l’Institut Périmètre, Diego Delmastro et Matthew Yu, cherchent à comprendre la dynamique de la CDQ à basse énergie, qui échappe à toute explication avec les outils existants comme la théorie des perturbations. La théorie des perturbations est une méthode permettant de simplifier les interactions complexes entre particules. À basse énergie, le couplage fort, consistant en de puissantes interactions entre particules qui permettent aux fluctuations quantiques de dominer le système, peut rendre la théorie des perturbations inefficace. Par conséquent, ceci peut inciter les chercheurs à rechercher des méthodes alternatives.

Gomis et ses collègues ont récemment fait un grand pas en avant en utilisant une caractéristique particulière de la mécanique quantique connue sous le nom d’« écart de masse ».

À la recherche d’écarts de masse dans la CDQ

Il existe plusieurs théories de la CDQ qui expliquent de manière plausible des phénomènes tels que la manière dont les quarks et les gluons se lient à l’intérieur des protons et des neutrons. Dans ce type de scénarios à haute énergie et à courte distance, ces théories sont toutes presqu’équivalentes, mais elles peuvent différer considérablement dans leurs implications pour les basses énergies et les longues distances.

« Certaines théories sont très surprenantes. Ce qui en ressort peut ne pas ressembler du tout à ce que vous avez mis dedans », explique Gomis. « Vous pouvez commencer avec des particules sans masse à haute énergie et vous retrouver avec un zoo de particules massives à basse énergie, avec de fortes fluctuations quantiques qui viennent tout perturber. »

Pour comprendre comment une théorie spécifique de la CDQ pourrait agir à basse énergie, des indices utiles peuvent être dissimulés dans l’écart de masse.

Les physiciens modélisent les particules comme des excitations dans un champ invisible qui imprègne l’univers. Si une théorie présente un écart entre le niveau d’énergie le plus bas possible du champ, l’état fondamental ou l’état du vide, et le premier état excité, elle présente un écart de masse.

Lorsqu’il y a un écart de masse, l’ajout d’énergie dans le champ n’a aucun effet jusqu’à ce que vous le traversiez, ce qui provoque la création d’une particule. Un « système sans écart », en revanche, créerait des particules et des interactions entre particules à tous les niveaux d’énergie, ce qui implique, entre autres choses, la possibilité de produire des particules sans masse.

La physique d’une théorie de champ particulière est fortement influencée par le fait qu’elle comporte ou non un écart.

Il est inestimable de pouvoir distinguer les théories qui comportent un écart de celles qui n’en comportent, en raison de l’intensité avec laquelle cela affecte le comportement d’un système. Cela est particulièrement vrai pour les physiciens expérimentaux qui tentent de concevoir des expériences pour détecter certaines interactions. La première chose qu’ils veulent savoir est : Quelle est la gamme des interactions possibles? Et cela est déterminé par l’écart de masse.

Création d’un catalogue complet avec ou sans écart

Au cours des dernières années, M. Gomis et ses collègues ont diminué les conditions qui signalent la probabilité qu’une théorie présente un écart. Actuellement, ils travaillent avec des modèles 2D.

« Nous nous sommes rendu compte que nous pouvions réellement faire quelque chose de très spécial en deux dimensions », explique Gomis. « Nous pouvions résoudre complètement le problème, dans la mesure où il existe un tableau avec toutes les théories avec et sans écart. Nous avons fourni une liste complète. Il y a quelques années, cela semblait totalement hors de portée. »

Ils ont poussé leurs travaux encore plus loin, en fournissant une description générale de la dynamique à basse énergie pour chaque théorie 2D. Il s’agit d’un résultat précieux et d’une ressource pour l’exploration future de la physique à basse énergie où le couplage fort rend la théorie des perturbations inefficace.

Certaines des techniques qu’ils ont employées étaient dépassées et comportaient des méthodes que les étudiants en physique utilisent depuis un siècle ou plus, comme l’analyse des hamiltoniens et des fonctions d’onde. M. Gomis et ses collègues ont mis en correspondance le problème de l’écart de masse avec une classification géométrique proposée il y a un siècle par le mathématicien Élie Cartan, qui s’est avérée un cadre utile pour résoudre le problème.

Une autre technique a consisté à faire correspondre les anomalies de ‘t Hooft. Nommées d’après le lauréat néerlandais du prix Nobel Gerard ‘t Hooft, ces anomalies sont des limitations spéciales présentes dans certaines théories. De telles anomalies sont globales, quelle que soit leur échelle. Cela signifie que si les anomalies se manifestent dans des scénarios à haute énergie, elles doivent aussi se manifester dans des scénarios à basse énergie. Et si elles sont présentes, cela indique l’existence de particules sans masse.

« Il s’agissait d’un pas en avant vers l’établissement d’un ensemble de conditions suffisantes pour qu’une théorie soit sans écart », explique Gomis. « Il n’est même pas nécessaire de se lever du canapé. Si vous le formulez de cette manière, vous pouvez immédiatement exclure qu’une théorie donnée présente un écart. Mais ce n’est pas encore suffisant, car vous ne pouvez pas le faire pour les théories sans anomalies de ‘t Hooft. Dans ce cas, vous avez besoin de méthodes différentes pour répondre à la question. »

En combinant tous ces outils ensemble, Gomis et son équipe ont pu élaborer un tableau complet qui classe toutes les théories 2D possibles de la QCD, comme étant avec ou sans écart.

« Nous avons simplement suivi tous les indices de manière logique, comme dans un roman policier », explique Gomis.

Quelles sont les prochaines étapes?

M. Gomis prévoit d’utiliser sa boîte à outils 2D pour les théories CDQ en trois et quatre dimensions. Les dimensions supérieures présentent des défis différents, mais ils disposent désormais d’une rampe de lancement. La quête visant à délimiter les théories avec écarts des théories sans écarts à basse énergie a considérablement progressé.

M. Gomis espère enfin que son travail révélera des domaines de la physique qui étaient jusqu’à présent cachés.

« Je m’intéresse à la compréhension des lois de la nature au niveau le plus fondamental, là où les intuitions et les outils habituels ne s’appliquent pas », dit-il. « Il ne s’agit pas de résoudre une théorie en particulier, mais plutôt d’apprendre quels phénomènes sont autorisés par les règles folles de la mécanique quantique. Je veux comprendre ce que l’univers permet. »