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La grande force et l’impressionnante simplicité d’un jeu de cache-cache

Les travaux théoriques et expérimentaux de milliers de physiciens étalés sur de nombreuses années ont permis d’effectuer une découverte majeure: révéler la simplicité relative de la nature fondamentale de notre Univers. Ces travaux se poursuivent par le biais d’approches de simplification pour nous permettre de comprendre l’une de ces énigmes pour le moment insolubles.

Recherche fondamentale

Tout ce qui nous entoure et que nous connaissons se compose uniquement de 12 particules de matière fondamentales dont les interactions sont gouvernées par quatre forces fondamentales. Ces forces sont la force électromagnétique, la force gravitationnelle, la force forte et la force faible, œuvrant chacune sur des distances différentes et dotées d’intensités différentes. À l’échelle des très courtes distances entre les particules subatomiques, les forces forte et faible prédominent. La force forte est essentielle à notre description du monde quantique, telle la «colle» qui lie tous les composants élémentaires au sein du même noyau atomique. Toutefois, sa description s’est avérée particulièrement complexe. Le projet AFFINITY, financé par l’UE, a souhaité relever ce défi. Avec le soutien du programme de bourses de recherche internationales des Actions Marie Skłodowska-Curie, Lorenzo Bianchi, titulaire d’une de ces bourses, et travaillant à la Queen Mary University de Londres a renforcé de manière significative les descriptions de régimes fortement corrélés.

C’est l’histoire de deux corrélations

La théorie quantique des champs (QFT) constitue le cadre mathématique et conceptuel de la physique des particules élémentaires contemporaine. La récente découverte d’une dualité entre deux QFT a tissé un lien entre les régimes fortement corrélés et faiblement corrélés. Selon Lorenzo Bianchi, «ce que l’on appelle correspondance AdS/CFT (anti-de Sitter space / conformal field theory), ou dualités holographiques, implique qu’il est possible d’utiliser des techniques ordinaires d’étude de la gravité à faible corrélation afin d’accéder à la QFT dans le régime fortement corrélé». Lorenzo Bianchi a cherché à utiliser cet «outil» en s’appuyant sur des facteurs de forme décrivant la production ou l’annihilation de particules fondamentales. Celles-ci forment le lien entre la théorie mathématique et l’observation.

Découvrir les relations cachées à des fins de simplification

La théorie des perturbations joue un rôle important dans les mécaniques quantiques. L’approche perturbative à la corrélation en matière de QFT se base sur l’idée selon laquelle il est facile de calculer des résultats en l’absence de corrélation (à savoir des interactions ou des perturbations entre particules si infimes qu’elles peuvent être ignorées). À mesure que la corrélation augmente, il est possible de calculer des résultats d’ordre supérieur en matière de perturbation, avec une précision de plus en plus élevée, mais également avec de plus en plus de complexité. Pour ce qui est du régime non perturbatif, les choses se compliquent. La chromodynamique quantique (CDQ) est la QFT des interactions fortes et le régime non perturbatif de la CDQ est extrêmement difficile d’accès. Les symétries cachées peuvent constituer la solution. «Bien souvent en matière de physique des particules, les étapes intermédiaires de calcul sont bien plus complexes que le résultat final. Les symétries cachées simplifient remarquablement les choses, nous permettant de dépasser cette difficulté en organisant nos calculs de manière efficace.» AFFINITY s’est tourné vers la QFT, comme présentant des propriétés communes avec la CDQ, mais en apportant une symétrie améliorée permettant de simplifier notre compréhension de la force forte.

Des résultats révolutionnaires pour la théorie des perturbations

La première publication novatrice de Lorenzo Bianchi a identifié la présence d’un symétrie cachée (appelée double symétrie conforme) au sein de la structure perturbative des facteurs de forme. La deuxième publication a fourni la recette permettant d’obtenir de manière récursive des ordres de plus en plus élevés dans l’expansion perturbative des facteurs de forme pour de faibles valeurs de corrélation, un résultat d’importance majeure tant en théorie qu’en pratique. Il conclut: «La simplicité des lois fondamentales de la nature pourrait bien résider dans une formule mathématique alternative. Notre objectif, en tant que physiciens théoriciens, consiste à trouver une description qui mette en lumière cette simplicité tout en étant conforme aux preuves expérimentales. Einstein a un jour prononcé la fameuse phrase: “Dieu ne joue pas aux dés.” Il pourrait cependant bien jouer à cache-cache.» Lorenzo Bianchi nous aide à trouver notre voie.

Mots‑clés

AFFINITY, QFT, force forte, perturbations, symétrie, facteur de forme, CDQ, théorie quantique des champs, chromodynamique quantique, correspondance AdS/CFT

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