Trois chercheurs de l’Institut Périmètre lancent une nouvelle collaboration Simons

L’idée fondamentale de l’holographie céleste est que la physique de l’univers qui nous entoure peut être décrite comme une projection sur la « sphère céleste ». L’endroit où l’on parvient à l’extrémité ultime de toute direction vers laquelle on pointe dans le ciel nocturne. Elle s’appuie sur le principe holographique, qui émet l’hypothèse que toute théorie de la gravité quantique a une présentation « duale » équivalente à celle d’une sans gravité vivante à la frontière de l’espace-temps.

Les théoriciens des cordes ont déjà trouvé une équivalence de ce type, la correspondance anti-de Sitter/théorie des champs conformes, qui relie l’espace-temps à courbure négative à certaines théories des champs. Mais notre univers réel a une courbure (légèrement) positive. Dans le cadre de la collaboration Simons sur l’holographie céleste, l’objectif est de trouver une dualité plus généralisée qui correspond mieux à notre univers et qui se connecte plus directement aux observations des ondes gravitationnelles.

C’est une entreprise complexe qui fusionne l’expertise des communautés des amplitudes, de la physique mathématique et de la gravité quantique.

Les avancées récentes de l’Institut Périmètre ont joué un rôle essentiel pour atteindre cet objectif. Il a été le premier institut au monde à investir dans un holographe céleste junior, en nommant l’une des pionnières du domaine, Sabrina Pasterski, à la faculté en 2021 et en lançant l’Initiative sur l’holographie céleste sous la direction de Pasterski. La conception de cette initiative vise à regrouper des chercheurs des groupes Champs et cordes quantiques, Gravité quantique et Physique mathématique de l’Institut Périmètre.

L’un des éléments essentiels du puzzle est la recherche de nouvelles symétries, c’est-à-dire de modèles ou d’équivalences au sein des lois de la nature qui peuvent aider à simplifier la complexité et à unifier des théories disparates. Avant de rejoindre l’Institut Périmètre, Pasterski a mené des recherches sur la découverte d’améliorations de la symétrie dimensionnelle infinie de la matrice S. Un nouvel effet de mémoire observable dans la gravité et un cadre permettant de généraliser ces caractéristiques de la physique infrarouge à d’autres théories.

Cette ligne de recherche ascendante, développée à Harvard sous la direction d’Andrew Strominger, directeur de la collaboration et DVRC de l’Institut Périmètre, recoupait également le programme de recherche en cours de Laurent Freidel, professeur à l’Institut Périmètre, sur l’holographie locale. Dans ce programme, un principe d’organisation connu sous le nom de symétrie des coins offre un cadre pour comprendre la gravité quantique qui peut être naturellement appliqué à la sphère céleste.

Une autre approche, totalement différente, de l’holographie céleste est de la construire mathématiquement de haut en bas. Kevin Costello, professeur à l’Institut Périmètre, dont les découvertes en « holographie torsadée » ont été révolutionnaires dans son propre domaine, a récemment découvert que ses recherches pouvaient également être appliquées dans ce domaine, et qu’elles recoupaient parfaitement les efforts de Pasterski et Freidel.

Soudain, différents domaines de recherche, tels que la théorie des champs conformes, la gravité quantique et la théorie des twisteurs, ont commencé à se rapprocher de manière passionnante. C’est grâce à cette synergie qu’est née la Collaboration Simons sur l'holographie céleste. L’équipe de l’Institut Périmètre est maintenant ravie de changer son rôle d’incubateur en accélérateur pour ce nouveau domaine passionnant.

« Il y a vraiment un enthousiasme. Nous commençons enfin à voir comment assembler de nombreuses pièces du puzzle que nous avons construit au cours de la dernière décennie, déclare Pasterski, et l’Institut Périmètre est l’endroit idéal pour y parvenir. »

« L’Institut Périmètre est idéalement placé, car il couvre de nombreux aspects différents du problème », convient Freidel. « Nous sommes maintenant à la croisée des chemins. Trois professeurs différents représentant trois domaines différents de l’Institut Périmètre vont travailler ensemble dans le cadre d’un nouveau programme de recherche, enrichissant ainsi considérablement ce programme de recherche. C’est assez unique en son genre, et cela montre que l’Institut Périmètre fait ce qu’il fait le mieux. Rester à l’avant-garde, être innovant et permettre une large collaboration. »

« C’était vraiment un heureux hasard, ajoute Costello, que mes recherches en physique mathématique aient abordé les problèmes étudiés par Sabrina en holographie céleste, et qu’elles aient également été liées aux travaux de Laurent sur la gravité quantique. L’équipe est très solide dans cette collaboration et j’ai hâte de voir ce que nous pouvons accomplir. »

La physique moderne est fréquemment cloisonnée. Les scientifiques acquièrent de l’expertise dans des domaines très restreints. La magie opère lorsque de nouvelles connexions émergentes réunissent de manière inattendue des domaines distincts. En plus de s’appuyer sur la récente collision à trois voies des efforts ascendants en holographie céleste, des développements mathématiques parallèles en théorie des champs topologiques et en théorie des twisteurs, la nouvelle collaboration initie également de nouveaux mariages entre la physique théorique et la physique observationnelle.

« Certains aspects de l’holographie céleste relèvent de la physique ancienne du siècle dernier, d’autres sont nouveaux », explique Freidel. « Mais ce qui est passionnant dans tout cela, c’est que nous découvrons entre eux des relations qui n’avaient pas encore été explorées. »

L’un des nouveaux éléments du puzzle de l’holographie céleste est par exemple l’effet de mémoire de spin proposé par Pasterski. Les ondes gravitationnelles se propagent dans l’univers et provoquent des distorsions qui ne disparaissent pas complètement après leur passage. Il reste une « mémoire » de l’événement, qui pourrait être détectée par observation par LIGO ou des détecteurs d’ondes gravitationnelles de nouvelle génération. Une telle détection permettrait d’obtenir des preuves tangibles en lien avec les éléments plus théoriques de l’holographie céleste.

Freidel, Costello et Pasterski font partie d’une équipe comprenant 10 collègues internationaux en tant que chercheurs principaux de la collaboration. Beaucoup d’entre eux ont déjà été associés à l’Institut Périmètre en tant que chercheurs invités ou postdoctorants, et qui apportent tous une richesse d’expertise et d’expérience. Ensemble, les collaborateurs ont le potentiel de réaliser de réels progrès. Ce qu’ils découvriront pourrait avoir des implications de grande portée sur la façon dont nous comprenons notre univers. 

La collaboration Simons sur l’holographie céleste bénéficie du soutien financier de la par la Simons Foundation. Elle offre des opportunités aux chercheurs postdoctoraux et accueillera des écoles d’été biennales pour les étudiants diplômés, dont la première se tiendra à l’Institut Périmètre en 2024. Les membres de la collaboration participeront à des réunions d’équipe d’une semaine trois fois par an et travailleront également ensemble dans le cadre d’échanges de personnel et de séminaires virtuels. La Simons Foundation a financé la collaboration pendant quatre ans.

Les chercheurs principaux sont : Tim Adamo à Édimbourg, Nima Arkani-Hamed à l’IAS, Kevin Costello, Laurent Freidel et Sabrina Pasterski à Perimeter, Jordan Cotler et Andrew Strominger (DVRC) à Harvard, Lionel Mason à Oxford, Natalie Paquette (chercheuse invitée) à l’Université de Washington, Monica Pate à NYU, Andrea Puhm (chercheuse invitée) à l’Université d’Amsterdam, David Skinner à Cambridge et Tomasz Taylor à Northeastern.