Par rapport aux mystères non résolus de l’univers, on parle beaucoup moins de l’un des faits les plus profonds qui se sont cristallisés en physique au cours du dernier demi-siècle: À un degré étonnant, la nature est telle qu’elle est parce qu’elle ne pouvait pas être différente. ”Il n’y a tout simplement aucune liberté dans les lois de la physique que nous avons », a déclaré Daniel Baumann, physicien théoricien à l’Université d’Amsterdam.

Depuis les années 1960, et de plus en plus au cours de la dernière décennie, des physiciens comme Baumann ont utilisé une technique connue sous le nom de « bootstrap” pour déduire ce que doivent être les lois de la nature. Cette approche suppose que les lois se dictent essentiellement les unes les autres par leur cohérence mutuelle — que la nature « se tire vers le haut par ses propres bootstraps. »L’idée s’avère expliquer énormément sur l’univers.

Lors de l’amorçage, les physiciens déterminent comment les particules élémentaires avec différentes quantités de « spin”, ou moment angulaire intrinsèque, peuvent se comporter de manière cohérente. Ce faisant, ils redécouvrent la forme de base des forces connues qui façonnent l’univers. Le cas le plus frappant est celui d’une particule à deux unités de spin: Comme l’a montré le prix Nobel Steven Weinberg en 1964, l’existence d’une particule de spin-2 conduit inévitablement à la relativité générale — la théorie de la gravité d’Albert Einstein. Einstein est arrivé à la relativité générale par des pensées abstraites sur la chute des ascenseurs et l’espace et le temps déformés, mais la théorie découle également directement du comportement mathématiquement cohérent d’une particule fondamentale.

« Je trouve que cette inévitabilité de la gravité est l’un des faits les plus profonds et les plus inspirants sur la nature”, a déclaré Laurentiu Rodina, physicien théoricien à l’Institut de Physique Théorique du CEA Saclay qui a contribué à moderniser et à généraliser la preuve de Weinberg en 2014. « À savoir, cette nature est avant tout auto-cohérente.”

Comment fonctionne le Bootstrap

Le spin d’une particule reflète ses symétries sous-jacentes, ou les façons dont elle peut être transformée qui la laissent inchangée. Une particule de spin-1, par exemple, revient au même état après avoir été tournée d’un tour complet. Une particule spin-latexlatex\frac{1}{2} must doit effectuer deux rotations complètes pour revenir au même état, tandis qu’une particule spin-2 semble identique après seulement un demi-tour. Les particules élémentaires ne peuvent porter que 0,latexlatex\frac{1}{2}$, 1, $ latex\frac {3}{2} or ou 2 unités de spin.

Pour déterminer quel comportement est possible pour les particules d’un spin donné, les bootstrappers considèrent des interactions de particules simples, telles que deux particules qui s’annihilent et en produisent une troisième. Les spins des particules imposent des contraintes à ces interactions. Une interaction de particules de spin-2, par exemple, doit rester la même lorsque toutes les particules participantes sont tournées de 180 degrés, car elles sont symétriques sous un tel demi-tour.

Les interactions doivent obéir à quelques autres règles de base : l’élan doit être conservé ; les interactions doivent respecter la localité, qui dicte que les particules se dispersent en se rencontrant dans l’espace et le temps ; et les probabilités de tous les résultats possibles doivent s’additionner à 1, un principe connu sous le nom d’unitarité. Ces conditions de cohérence se traduisent par des équations algébriques que les interactions de particules doivent satisfaire. Si l’équation correspondant à une interaction particulière a des solutions, alors ces solutions ont tendance à être réalisées dans la nature.

Par exemple, considérons le cas du photon, de la particule de lumière spin-1 sans masse et de l’électromagnétisme. Pour une telle particule, l’équation décrivant les interactions à quatre particules – où deux particules entrent et deux sortent, peut—être après la collision et la diffusion — n’a pas de solutions viables. Ainsi, les photons n’interagissent pas de cette manière. ”C’est pourquoi les ondes lumineuses ne se dispersent pas et nous pouvons voir sur des distances macroscopiques », a expliqué Baumann. Le photon peut cependant participer à des interactions impliquant d’autres types de particules, telles que les électrons spin-latexlatex\frac{1}{2} electrons. Ces contraintes sur les interactions du photon conduisent aux équations de Maxwell, la théorie de l’électromagnétisme vieille de 154 ans.

Ou prenez des gluons, des particules qui transmettent la force forte qui lie les noyaux atomiques ensemble. Les gluons sont également des particules de spin-1 sans masse, mais ils représentent le cas où il existe plusieurs types de la même particule de spin-1 sans masse. Contrairement au photon, les gluons peuvent satisfaire l’équation d’interaction à quatre particules, ce qui signifie qu’ils interagissent eux-mêmes. Les contraintes sur ces auto-interactions gluon correspondent à la description donnée par la chromodynamique quantique, la théorie de la force forte.

Un troisième scénario implique des particules de spin-1 qui ont une masse. La masse est apparue lorsqu’une symétrie s’est brisée lors de la naissance de l’univers: Une constante — la valeur du champ de Higgs omniprésent — est spontanément passée de zéro à un nombre positif, imprégnant de masse de nombreuses particules. La rupture de la symétrie de Higgs a créé des particules massives de spin-1 appelées bosons W et Z, porteurs de la force faible responsable de la désintégration radioactive.

Ensuite, « pour spin-2, un miracle se produit”, a déclaré Adam Falkowski, physicien théoricien au Laboratoire de Physique Théorique d’Orsay, en France. Dans ce cas, la solution à l’équation d’interaction à quatre particules semble d’abord être assaillie d’infinis. Mais les physiciens trouvent que cette interaction peut se dérouler de trois manières différentes, et que les termes mathématiques liés aux trois options différentes conspirent parfaitement pour annuler les infinis, ce qui permet une solution.

Cette solution est le graviton : une particule de spin-2 qui se couple à elle-même et à toutes les autres particules de force égale. Cette impartialité mène directement au principe central de la relativité générale: le principe d’équivalence, le postulat d’Einstein selon lequel la gravité est indiscernable de l’accélération à travers l’espace-temps courbe, et que la masse gravitationnelle et la masse intrinsèque sont une seule et même chose. Falkowski a déclaré à propos de l’approche bootstrap: « Je trouve ce raisonnement beaucoup plus convaincant que celui abstrait d’Einstein. »

Ainsi, en réfléchissant aux contraintes imposées aux interactions fondamentales des particules par les symétries de base, les physiciens peuvent comprendre l’existence des forces fortes et faibles qui façonnent les atomes, et des forces de l’électromagnétisme et de la gravité qui sculptent l’univers dans son ensemble.

De plus, les bootstrappers constatent que de nombreuses particules de spin-0 différentes sont possibles. Le seul exemple connu est le boson de Higgs, la particule associée au champ de Higgs brisant la symétrie qui imprègne les autres particules de masse. Une particule hypothétique de spin 0 appelée inflaton pourrait avoir entraîné l’expansion initiale de l’univers. Le manque de moment angulaire de ces particules signifie que moins de symétries limitent leurs interactions. Pour cette raison, les bootstrappers peuvent en déduire moins sur les lois régissant la nature, et la nature elle-même a une licence plus créative.

Spin-latexlatex\frac{1}{2} particles les particules de matière ont également plus de liberté. Ceux-ci constituent la famille des particules massives que nous appelons la matière, et ils sont différenciés individuellement par leurs masses et leurs couplages aux différentes forces. Notre univers contient, par exemple, des quarks spin-latexlatex\frac{1}{2} interact qui interagissent à la fois avec les gluons et les photons, et des neutrinos spin-latexlatex\frac{1}{2} interact qui interagissent avec ni l’un ni l’autre.

Le spectre de spin s’arrête à 2 parce que les infinis de l’équation d’interaction à quatre particules tuent toutes les particules sans masse qui ont des valeurs de spin plus élevées. Des états de spin supérieur peuvent exister s’ils sont extrêmement massifs, et de telles particules jouent un rôle dans les théories quantiques de la gravité telles que la théorie des cordes. Mais les particules de spin supérieur ne peuvent pas être détectées, et elles ne peuvent pas affecter le monde macroscopique.

Pays non découvert

Spin-Spinlatex\frac{3}{2} couldles particules pourraient compléter le 0,latexlatex\frac{1}{2}$, 1, $ latex\frac {3}{2} pattern, modèle 2, mais seulement si la « supersymétrie » est vraie dans l’univers — c’est-à-dire si chaque particule de force avec un spin entier a une particule de matière correspondante avec un spin demi-entier. Ces dernières années, des expériences ont exclu bon nombre des versions les plus simples de la supersymétrie. Mais l’écart dans le spectre de spin frappe certains physiciens comme une raison d’espérer que la supersymétrie est vraie et que des particules de spin-latexlatex\frac{3}{2} exist existent.

Dans son travail, Baumann applique le bootstrap au début de l’univers. Un article récent sur les Quanta a décrit comment lui et d’autres physiciens ont utilisé des symétries et d’autres principes pour limiter les possibilités de ces premiers moments.

Il est « simplement esthétique”, a déclaré Baumann, « que les lois sont inévitables — qu’il y a une certaine inévitabilité des lois de la physique qui peut être résumée par une courte poignée de principes qui conduisent ensuite à des blocs de construction qui construisent ensuite le monde macroscopique. »

Correction: 16 Décembre 2019
La version originale de cette histoire disait que les physiciens qui utilisent la méthode bootstrap pourraient « redécouvrir » ou ”rederive » les quatre forces de la nature. La formulation impliquait qu’ils pouvaient acquérir une connaissance complète des détails de ces forces et que ce sont les seuls qui sont autorisés. Au lieu de cela, la méthode bootstrap impose de fortes contraintes sur les forces possibles. Pour les particules de spin-1 et de spin-2 sans masse, le bootstrap conduit respectivement à l’électromagnétisme et à la relativité générale. Pour les particules massives de spin-0, les particules massives de spin-1 et le cas de multiples particules de spin-1 sans masse du même type, le bootstrap impose des contraintes plus lâches sur la nature des interactions, mais le champ de Higgs, la force faible et la force forte apparaissent comme des possibilités. Le texte de l’article et le sous-titre ont été révisés en conséquence.