Sebastian Mizera est doctorant en physique théorique, mais pourtant il aime ce qui est tangible. Au départ, il s’est intéressé à la physique parce qu’il voulait savoir comment fonctionnait son ordinateur. Alors qu’il était étudiant de 1^er cycle en mathématiques à l’Université de Cambridge, il s’est joint à un groupe de recherche sur le cancer parce qu’il voulait mettre ses connaissances en pratique.

Même ses dernières recherches — menées avec Freddy Cachazo, titulaire de la chaire Gluskin-Sheff-Freeman-Dyson, qui visent à découvrir de nouvelles structures pour les champs et particules quantiques — ont un aspect pratique. Si elles étaient couronnées de succès, cela simplifierait les calculs complexes utilisés pour planifier et interpréter les expériences effectuées dans le monde entier en physique des particules des hautes énergies.

« Je me pose toujours la même question : 'Pourquoi?' », dit M. Mizera, qui a grandi à Cracovie, en Pologne. « Je suis curieux de savoir comment les choses fonctionnent à ce niveau tout à fait fondamental. » [traduction]

Cependant, si vous étiez assis à côté de lui dans un avion, ce jeune homme affable âgé de 25 ans réfléchirait avant de vous dire ce qu’il fait comme métier. S’il a le goût de parler, il vous dira qu’il est physicien. Sinon, il dira qu’il est mathématicien.

Sebastian Mizera, doctorant à l’Institut Périmètre, étudie de nouvelles approches de la théorie quantique des champs.[/caption]

Les deux réponses sont honnêtes (même s’il se considère d’abord comme un physicien), mais elles ont tendance à provoquer des réactions très différentes : la physique suscite des questions, alors que, selon lui, les mathématiques font taire les interlocuteurs. « Les gens disent toujours qu’ils détestent les mathématiques, et il y a une raison à cela, dit-il. C’est à cause de la manière dont elles sont enseignées, et non à cause de ce qu’elles sont. » [traduction]

Les mathématiques et la physique ont non seulement tracé sa trajectoire de la Pologne au Canada, en passant par le Royaume-Uni, elles ont aussi alimenté sa carrière, de la physique gravitationnelle à la théorie quantique des champs (TQC).

Dans son parcours, il y a eu un bref détour sous forme d’un stage à Cancer Research UK, où il a contribué à optimiser des algorithmes et un logiciel d’analyse de données. Sebastian Mizera a beaucoup aimé cette expérience et, comme d’habitude, sa curiosité l’a amené dans des territoires surprenants : il a participé à la conception d’une nouvelle manière d’appliquer la théorie du problème inverse à une méthode d’imagerie existante. Ces travaux ont entraîné une amélioration significative de la résolution de la technique d’imagerie, ce qui pourrait donner un jour des diagnostics plus précoces.

Comme jeune mathématicien et physicien, il a eu ainsi l’occasion de travailler sur quelque chose d’immédiat et concret. « Je pouvais, dit-il, appliquer la physique à la résolution de problèmes réels que des gens pourraient avoir de mon vivant. » [traduction]

Maintenant, il travaille sur un projet à beaucoup plus long terme. Il participe à un effort mondial, dirigé à l’Institut Périmètre par Freddy Cachazo, en vue de reformuler la manière dont les scientifiques calculent les amplitudes de diffusion qui décrivent les interactions entre particules. Pourquoi font-ils cela? Parce que des recherches laissent entendre que la méthode actuelle — fondée sur des diagrammes de Feynman — est plus compliquée que nécessaire.

Essentiellement, les diagrammes de Feynman représentent les termes mathématiques sous forme d’un langage graphique, mais cette méthode est pleine de redondances : au bout de calculs longs et complexes, les chercheurs constatent souvent que la réponse était relativement simple.

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Ces dernières années, on a consacré beaucoup d’efforts à trouver un moyen de représenter les interactions entre particules sans utiliser de diagrammes de Feynman. Les chercheurs creusent l’idée selon laquelle les interactions entre particules dépendent de la géométrie de l’espace-temps. En exprimant les interactions entre particules en termes géométriques (comme des formes multidimensionnelles) au lieu d’utiliser des diagrammes de Feynman, ils espèrent trouver des méthodes de calcul plus efficaces.

« On dirait que la nature essaie de nous dire quelque chose », affirme M. Mizera, qui a passé deux étés à l’Institut Périmètre à titre de chercheur de 1^er cycle avant de décider d’y faire son doctorat.

« Dans le domaine des amplitudes de diffusion, de tels objets plus simples ont souvent fait leur apparition au cours des dernières années. Cela nous fait croire que nous sommes en bonne voie de mieux comprendre la TQC, à un niveau plus fondamental. » [traduction]

Il sait que ce n’est pas un sujet facile — même pour un physicien. Lorsqu’il retourne en Pologne pour voir ses parents (qui sont architectes), sa sœur jumelle (architecte paysagiste) et sa jeune sœur (qui étudie en cinéma), il essaie de leur expliquer ses recherches. Cela n’est pas toujours simple.

« La dernière fois, j’avais un nouvel article en préparation et il était plein de schémas. J’essayais de les expliquer à mes proches, mais ces schémas ne signifient pas grand-chose pour des non-physiciens, dit-il en haussant les épaules. Mais je crois qu’ils comprennent que je travaille sur quelque chose d’important. » [traduction]

Un lien scientifique inattendu

Sebastian Mizera fait son doctorat sous la direction de Freddy Cachazo, professeur à l’Institut Périmètre. M. Cachazo et ses collaborateurs essaient de reformuler la théorie quantique des champs (TQC) de telle sorte que les chercheurs puissent remplacer les diagrammes de Feynman par une méthode plus efficace. L’article le plus récent de M. Mizera, prépublié en juin dans arXiv, présente une méthode possible.

Il a découvert un lien profond entre les amplitudes de diffusion de deux sortes de particules : les gluons (particules fondamentales qui lient les quarks à l’intérieur des protons et des neutrons) et les gravitons (particules hypothétiques en TQC, responsables de la transmission de la force de gravité). Ses travaux font un lien entre deux projets de recherche en apparence indépendants.

Le premier de ces projets est issu de la théorie des cordes, qui réduit toutes les particules élémentaires à des « cordes » qui oscillent de nombreuses manières pour former les divers types de particules. Dans les années 1980, des chercheurs de l’Université Cornell ont découvert que si l’on connaît l’amplitude de diffusion, ou l’interaction, de cordes ouvertes (pensez à des spaghettis), on peut calculer l’amplitude de diffusion de cordes fermées (pensez à des pâtes en forme de « O »). Des recherches précédentes dans ce domaine avaient démontré que, lorsqu’une corde ouverte est assez petite pour être essentiellement réduite à un point, elle ressemble à un gluon. Lorsqu’une corde fermée est rapetissée jusqu’à devenir un point unique, elle ressemble à un graviton.

Le second projet est issu de la topologie, qui étudie la forme des objets : dans les années 1990, au Japon, des chercheurs qui étudiaient les propriétés de certaines fonctions mathématiques ont trouvé une manière de relier divers types de fonctions selon leur géométrie. Par conséquent, des objets mathématiques peuvent être décrits en termes géométriques.

À partir de ces idées, qui semblent bien éloignées, Sebastian Mizera a trouvé une équivalence inattendue : en réalité, ces deux méthodes en apparence différentes se correspondent. « Les résultats précédents sont en fait les deux faces d’une même médaille » [traduction], dit-il. Chaque interaction de cordes ouvertes est associée à un objet géométrique donné (appelé associaèdre); pour relier les amplitudes de diffusion de cordes ouvertes et fermées, on peut considérer l’intersection des objets géométriques.