Philip Schuster et Natalia Toro, tous deux professeurs à l’Institut Périmètre, font maintenant partie de la constellation des étoiles montantes récipiendaires des prix Nouveaux horizons en physique. Ces prix visent à reconnaître de jeunes théoriciens qui « se consacrent à l’avancement de notre connaissance de l’univers à son niveau le plus fondamental » [traduction].

C’est la troisième année de suite que des professeurs de l’Institut Périmètre se méritent un prix Nouveaux horizons. Parmi les lauréats de l’an dernier, on retrouve Freddy Cachazo, récompensé pour ses travaux de pionnier dans le domaine des amplitudes de diffusion; il y a deux ans, Davide Gaiotto a été l’un des premiers lauréats, pour ses travaux sur les théories quantiques des champs.

Philip Schuster et Natalia Toro – physiciens des particules, qui travaillent souvent à deux – ont été honorés pour leur approche originale de nouvelles recherches en physique au grand collisionneur de hadrons (LHC) et pour avoir mené de nouvelles recherches expérimentales portant sur la matière sombre et des forces inconnues.

« C’est fantastique d’être ici », a déclaré M. Schuster, joint au téléphone au symposium des Prix du progrès scientifique à Stanford. « Nous avons rencontré des gens qui changent la manière de traiter la maladie de Parkinson ou de réfléchir aux mathématiques. Tant de choses se passent.

« Je ressors de là avec un sentiment d’humilité et le besoin de faire encore mieux, a-t-il poursuivi. J’ai été impressionné de voir tout ce qui a été accompli, dans toutes les sciences. J’ai été inspiré par les comptes rendus de ces travaux et les rencontres que j’ai faites. Cela me motive à aller plus loin. » [traduction]

Mme Toro est d’accord : « Je suis entourée de gens qui font réellement progresser le savoir – comme nous tentons de le faire –, et c’est cela la véritable récompense. Nos travaux ne sont qu’un commencement. Pour en réaliser le plein potentiel, il faudra un groupe beaucoup plus nombreux de chercheurs travaillant sur une bien plus longue période. C’est passionnant d’être là au début. Nous verrons ce que nous apprendrons ensuite. » [traduction]

« Philip et Natalia méritent pleinement cette reconnaissance », a déclaré Neil Turok, directeur de l’Institut Périmètre. « Ils ont apporté à la physique des hautes énergies une clarté et une cohérence qui sont à la fois rares et très précieuses pour ce domaine. » [traduction]

Les travaux qui ont valu cette récompense aux deux chercheurs ont commencé alors qu’ils étaient étudiants au doctorat. C’était juste avant la mise en marche du grand collisionneur de hadrons, et des dizaines de modèles de nouvelle physique – modèles supersymétriques, modèles du Petit Higgs, modèles technicolor – étaient en concurrence pour faire l’objet de vérifications expérimentales. Ces modèles prédisaient de nouvelles particules dont la masse et d’autres propriétés dépendaient intimement des détails de chaque modèle. Il en résultait un fouillis de prédictions sans direction claire.

Philip Schuster et Natalia Toro ont mis de l’ordre dans tout cela. Ils ont inversé le problème des différences entre modèles en posant une question plus fondamentale : Pourquoi avons-nous besoin de modèles? Qu’est-ce qui compte vraiment lorsqu’il s’agit de déduire les grandes lignes d’une théorie à partir de données?

En creusant ces questions avec rigueur et un regard neuf, ils ont découvert que la phénoménologie essentielle de la nouvelle physique dans les collisionneurs de hadrons est régie par seulement un petit nombre de variables clés. Cela a conduit à l’élaboration d’un cadre de « modèles simplifiés ».

Les deux chercheurs ont à la fois mis de l’ordre dans la théorie et travaillé directement avec des expérimentateurs pour compléter et mettre en œuvre le nouveau cadre. Les expériences menées au LHC font maintenant appel au cadre de modèles simplifiés pour la planification des recherches, l’analyse des données et la diffusion des résultats.

Cette façon de poser des questions plus profondes – comme ils l’ont fait pour élaborer le cadre des modèles simplifiés – puis de s’engager dans des expériences est typique du travail de Mme Toro et M. Schuster. Mais c’est une démarche inusitée.

« Depuis 40 ans, la physique des particules a pris l’habitude de construire des modèles “descendants” puis de laisser les expérimentateurs imaginer comment les mettre à l’épreuve, explique Neil Turok. Philip et Natalia ont adopté une démarche “ascendante” totalement différente, fondée sur une compréhension du plein potentiel des expériences menées avec des collisionneurs et de ce qu’elles permettent de voir. » [traduction]

Lorsqu’ils étaient postdoctorants, les deux chercheurs se sont intéressés à la question des forces fondamentales. Il y quatre forces connues : la gravité, l’électromagnétisme, l’interaction forte et l’interaction faible. Mais ces forces et leurs vecteurs connus sont-ils les seuls, ou ne sont-ils qu’une partie d’un tableau plus complet? C’est là la question fondamentale que Natalia Toro et Philip Schuster ont posée. Et avec leurs collaborateurs, ils ont proposé un élégant jeu d’expériences pour trouver la réponse.

Cela a inauguré un nouveau sous-domaine de la physique. Des centaines de scientifiques recherchent de nouvelles forces et de la matière sombre à l’aide d’une douzaine d’expériences différentes en physique des hautes énergies et en physique nucléaire. M. Schuster et Mme Toro eux-mêmes ont contribué à concrétiser trois expériences : APEX, dont ils sont les porte-parole, de même que HPS et BDX, dont ils sont les directeurs fondateurs.

Cette manière d’aborder la physique des particules est complémentaire des travaux menés au LHC, et tout aussi fondamentale. Tout ce que ces deux démarches permettront de découvrir aura des effets importants et durables sur notre compréhension des limites du modèle standard.

Philip Schuster et Natalia Toro continuent d’avancer de nouvelles idées, élaborant un modèle de forces à long rayon d’action transmises par des particules à spin continu, ou PSC. Les PSC sont une catégorie exotique de particules possibles que l’on a longtemps considérées comme non pertinentes dans le monde réel. Fidèles à leur habitude, les deux chercheurs ont remis en question cette supposition. Leurs travaux actuels laissent entendre que les PSC pourraient effectivement être porteurs de forces, et donc que des forces connues pourraient être transmises par des PSC.

Leurs recherches dans cette voie ne font que commencer, mais elles pourraient modifier notre compréhension de l’électromagnétisme aussi bien que de la gravité.

Neil Turok déclare : « Natalia et Philip sont de remarquables jeunes physiciens. On peut dire sans exagérer qu’ils ont changé la manière de faire de la physique des particules. Et ils pourraient changer encore bien des choses. À l’Institut Périmètre, nous sommes très fiers de leurs réalisations et de leurs perspectives d’avenir. » [traduction]