Theo Johnson-Freyd, professeur associé à l’Institut Périmètre, vient d’être désigné comme un des membres fondateurs de la nouvelle équipe de recherche de la Fondation Simons sur les symétries génériques. Cette équipe réunit des mathématiciens et des physiciens, afin de mieux comprendre la théorie quantique des champs — langage universel de la physique théorique moderne.

Dirigée par le physicien mathématicien Constantin Teleman, de l’Université de la Californie à Berkeley, cette équipe étudiera la symétrie en tant que puissant outil d’organisation de phénomènes physiques et de compréhension des lois fondamentales de la nature.

Depuis longtemps, les chercheurs utilisent la symétrie pour établir des ponts entre mathématiques et physique. Ce fut notamment le cas de la mathématicienne Emmy Noether. Au début du XX^e siècle, elle a résolu certaines lacunes persistantes dans la théorie encore nouvelle de la relativité d’Albert Einstein. Elle a aussi découvert des liens fondamentaux entre les lois qui régissent la conservation de l’énergie dans un système physique et des symétries présentes dans la nature.

Au cours du siècle de progrès scientifique qui a suivi, la symétrie a continué de tenir une place importante dans la manière dont les physiciens ont enrichi nos connaissance sur les structures profondes de la réalité physique — même si des chercheurs dans le domaine comme M. Johnson-Freyd utilisent des outils différents de ceux qui sont enseignés dans les cours d’introduction à la géométrie.

« Beaucoup de gens connaissent les symétries fondées sur la rotation ou la réflexion d’une forme, dit-il. On sait de manière intuitive que lorsque l’on fait tourner un objet sur un cercle complet, ou qu’on le retourne et le retourne encore, il revient à son état d’origine. Mais en théorie quantique des champs, une rotation complète ne vous ramène pas nécessairement au point de départ. C’est un peu comme pour les escaliers infinis d’Escher : si l’on monte quelques marches, il n’y a rien de remarquable; mais si l’on fait un tour complet, quelque chose de très sérieux s’est produit. » [traduction]

L’équipe de la Fondation Simons travaille à partir de développements récents en théorie quantique des champs, dont de nouvelles notions de symétrie qui contribuent à expliquer de nombreux aspects de la théorie quantique des champs à la jonction de phénomènes observables et des mathématiques avancées.

« Ce n’est évidemment pas la première fois que des mathématiciens et des physiciens travaillent en collaboration, mais cela arrive moins souvent qu’il le faudrait, dit M. Johnson-Freyd. L’Institut Périmètre et le Centre Simons de géométrie et de physique ont une histoire remarquable de soutien à ce genre de coopération entre disciplines. Mais même pour ces organismes, cette nouvelle équipe présente un degré exceptionnellement élevé d’interconnexion. » [traduction]

Même si des recherches dans des domaines comme la topologie quantique et les symétries non inversibles sont profondément ancrées dans la curiosité pure, Theo Johnson-Freyd affirme que des conséquences pratiques sont presque inévitables.

« Mes collaborateurs sont tous d’extraordinaires chercheurs, dit-il. J’ai travaillé avec quelques-uns d’entre eux dans le passé, et j’ai fait connaissance avec d’autres au cours du processus de demande de subvention. En apprenant à nous connaître, nous avons découvert l’ampleur des intérêts et des questions que nous avons en commun. Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que nous arrivons aux mêmes questions avec des outils et techniques différents.

« Nos travaux auront probablement des répercussions importantes sur l’étude des états topologiques de la matière, qui sont cruciaux pour le développement de matériaux quantiques et d’ordinateurs quantiques. Nous nous attendons également à contribuer à la résolution du problème de l’écart de masse en chromodynamique quantique. » [traduction]

L’équipe, dont les travaux commenceront officiellement en septembre 2021, comprend des chercheurs de 17 institutions réparties dans 7 pays.