Philip Schuster et Natalia Toro, professeurs à l’Institut Périmètre, s’avançaient dans une allée sombre, s’attendant à aboutir à un cul-de-sac.

Ils ont plutôt trouvé un vaste pré à explorer.

L’allée sombre, c’était l’étude des particules à spin continu. Les deux chercheurs croyaient qu’elle n’aboutirait à rien. « Au début, nous voulions prouver que les particules à spin continu n’ont pas de sens » [traduction], affirme Mme Toro.

« Nous voulions écrire un article intitulé Laissons de côté le spin continu, ajoute M. Schuster. Mais jusqu’à maintenant, nous avons échoué. » [traduction] Avec ce qu’ils ont découvert, ils pensent en fait qu’il est grand temps de se pencher plus sérieusement sur le spin continu.

La notion de spin continu mérite quelques explications. Il y a quatre forces connues dans l’univers. Deux d’entre elles, l’interaction faible et l’interaction forte, n’agissent que sur de très courtes distances – nous les observons surtout à l’intérieur des noyaux atomiques. Les deux autres, la force électromagnétique et la gravité, peuvent agir au-delà des galaxies. Cela est possible parce qu’elles sont transmises par des particules dépourvues de masse – le photon pour la force électromagnétique, le graviton (encore jamais observé) 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.

En 1939, Eugene Wigner a identifié deux types de particules dépourvues de masse : celles dont le spin pointe dans la direction de leur mouvement, et celles dont le spin peut être mal aligné. Lorsque le spin et le moment sont alignés, on parle aussi d’hélicité. Le spin peut avoir différentes valeurs. C’est également le cas de l’hélicité : des particules peuvent avoir une hélicité de 1, 2, 3, etc. L’hélicité est quantifiée et ne peut donc pas avoir de valeur fractionnaire (par exemple ⅓).

Fait intéressant, 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. Pour sa part, la gravité est modélisée avec une hélicité de 2, qui prédit certaines propriétés de cette force.

Dans les années 1960, Steven Weinberg a démontré que les particules ayant une hélicité élevée (3 ou plus) ne peuvent transmettre aucune force. Mais il restait la possibilité que des forces à long rayon d’action puissent être transmises par des particules à spin continu.

Mais qu’est-ce qu’une particule à spin continu? On peut imaginer que c’est une particule dont le spin est mal aligné, ou dont l’hélicité peut avoir une valeur (quantifiée) quelconque. Il y a un lien mathématique entre ces deux manières de concevoir les particules à spin continu, mais nous allons nous concentrer pour l’instant sur la seconde.

Les photons sont maintenant modélisés comme s’ils avaient tous une hélicité de 1. Si les photons étaient en réalité des particules à spin continu, la plupart auraient une hélicité de 1, mais certains auraient une hélicité de 2, d’autres plus rares une hélicité de 3, de 4, et ainsi de suite. Ces états d’hélicité seraient mélangés.

« Le terme spin continu est plutôt mal choisi pour de telles particules, dit M. Schuster. Mais il semble que nous soyons pris avec ce terme. » [traduction] Les chercheurs désignent les particules à spin continu par le sigle PSC.

Même si elle demeurait techniquement ouverte, la possibilité que les PSC puissent transmettre des forces à long rayon d’action a toujours semblé très peu probable. On croyait que la présence de ces valeurs d’hélicité supplémentaires – des photons et gravitons d’hélicité 2, 3, 4 ou 5 –introduirait toutes sortes de problèmes. Les amplitudes de diffusion (grandeurs fondamentales qui prédisent ce qui se passe lorsque deux particules entrent en interaction) divergeraient, donnant des prédictions insensées. Des photons errants d’hélicité élevée enlèveraient de la chaleur, causant le refroidissement rapide d’objets chauds, y compris le Soleil. Comme l’on n’observait pas ces effets, on croyait généralement que les PSC ne transmettent pas de forces à long rayon d’action.

Cependant, peu importe qu’elle semble bien fondée ou non, une hypothèse demeure une hypothèse. Les professeurs Toro et Schuster ont entrepris de mettre à l’épreuve cette hypothèse – autrement dit d’explorer cette allée sombre.

Partant de zéro – en n’utilisant que l’invariance de Lorentz et l’unitarité –, les deux chercheurs ont commencé à élaborer un modèle de forces à long rayon d’action transmises par des PSC. Ils espéraient prouver rapidement que les PSC ne peuvent transporter aucune force. Au lieu de cela, le modèle a commencé à produire des résultats, qui selon les termes de Philip Schuster « ressemblaient à une série de miracles » [traduction].

Non seulement les amplitudes de diffusion étaient possibles, mais elles donnaient des prédictions ayant du sens. Les problèmes de thermodynamique envisagés ne se sont pas matérialisés. Le nouveau modèle a commencé à produire des prédictions qui ressemblent beaucoup à la physique que nous connaissons, avec seulement quelques différences mineures. Il s’agit de résultats initiaux que l’on ne peut appliquer qu’à certains types particuliers de réactions qui font intervenir des PSC. Natalia Toro et Philip Schuster travaillent à l’élaboration d’une théorie qui leur permettrait de prédire les résultats de tout processus faisant intervenir des PSC.

« C’est une telle avancée dans l’inconnu que de nouvelles incohérences pourraient en ressortir, dit Mme Toro. Mais si la ressemblance avec la physique connue persiste, cela pourrait ouvrir une nouvelle possibilité passionnante : des forces que nous croyons comprendre pourraient en fait être transmises par des particules à spin continu. » [traduction]

Cela constituerait une réelle percée dans notre compréhension des forces à long rayon d’action. Par exemple, les recherches de Mme Toro et de M. Schuster montrent que si la gravité était transmise par un graviton à spin continu, elle deviendrait plus faible à de grandes distances. Bien entendu, la gravité est déjà plus faible à de grandes distances – deux masses très éloignées subissent une attraction gravitationnelle beaucoup moindre que si elles sont proches l’une de l’autre. Mais un modèle de la gravité fondé sur des PSC prédit que cet effet serait encore plus prononcé, et que la force gravitationnelle deviendrait encore plus faible que ce que prédit la fameuse loi de l’inverse du carré de la distance (1/d²).

Cette théorie en est à ses premiers balbutiements et, comme toute chose nouvelle, elle pose bien des défis. Mais Natalia Toro et Philip Schuster progressent à grands pas. C’est avec passion que M. Schuster explique leur motivation : « Ce qui est fondamental, c’est que le comportement des forces à long rayon d’action est déterminé par le spin des particules qui transmettent ces forces. Nous avons des descriptions théoriques solides de la plupart des spins possibles, mais nous n’avons qu’une connaissance superficielle des PSC. » C’est une lacune qu’il est déterminé à combler.

« Les PSC constituent les seuls transmetteurs potentiels de forces qui demeurent inexpliqués. En tant que physiciens, notre première tâche consiste à chercher à mieux comprendre ce qui est inexpliqué. » [traduction]

POUR EN SAVOIR PLUS

• Lire l’article A Gauge Field Theory of Continuous Spin Particles dans arXiv.
• Lire l’article On the Theory of Continuous Spin Particles: Wavefunctions and Soft-Factor Scattering Amplitudes dans arXiv.
• Lire l’article On the Theory of Continuous Spin Particles: Helicity Correspondence in Radiation and Forces dans arXiv.
• Visionner dans PIRSA l’exposé de Natalia Toro intitulé Spin and Long-Range Forces: The Unfinished Tale of the Last Massless Particle.
• Lire un article sur les travaux précédents de Natalia Toro et Philip Schuster à la recherche de nouvelles forces dans la nature.