La supersymétrie n'est pas confirmée par les expériences et les physiciens recherchent de nouvelles idées

Lors d'expériences au Grand collisionneur de hadrons, un tunnel circulaire de 26 km au Laboratoire du CERN en Suisse, où des protons de haute énergie entrent en collision, aucun indice de «nouvelle physique» n'a été obtenu en dehors du modèle standard.

Mikhail Shifman , un jeune physicien théoricien de Moscou en 1982, a été frappé par l'élégance d'une nouvelle théorie appelée supersymétrie, qui a tenté d'inclure des particules élémentaires connues dans un catalogue plus complet de particules dans l'univers.

"Mon travail de l'époque brille avec enthousiasme", explique Shifman, un professeur de 63 ans à l'Université du Minnesota. Au cours des décennies, lui et des milliers d'autres physiciens ont développé l'hypothèse de supersymétrie en croyant que les expériences le confirmeraient. «Mais la nature n'en a pas besoin», dit-il. "Au moins sous une forme simple et originale."

Étant donné que le plus grand collisionneur du monde n'a pas été en mesure de détecter les particules qui doivent exister selon cette théorie, Shifman rejoint le chœur des chercheurs, exhortant ses collègues à changer de cap.


Mikhail Shifman

Dans un essai publié en octobre 2012, Shifman a exhorté ses collègues à abandonner la voie du «développement de modifications farfelues et esthétiquement peu attrayantes» de la supersymétrie, qui visent à expliquer le fait que des versions plus simples de la théorie ne sont pas confirmées par des tests. Il écrit que le moment est venu de «commencer à réfléchir et à développer de nouvelles idées».

Mais il n'y a pas assez de matériel pour travailler. Jusqu'à présent, aucune trace de «nouvelle physique» en dehors du modèle standard - l'ensemble accepté d'équations décrivant des particules élémentaires connues - n'est apparue ni dans les expériences du LHC ni ailleurs. (Le boson de Higgs récemment découvert a été prédit par le modèle standard). Les récents essais de collision de protons à Kyoto, au Japon, ont exclu une autre grande classe de modèles supersymétriques et d'autres théories de la «nouvelle physique», car ils n'ont rien trouvé d'inhabituel dans les particules en décomposition.

«Bien sûr, c'est décevant», explique Shifman. "Nous ne sommes pas des dieux, nous ne sommes pas des prophètes." En l'absence d'indices sur la direction du mouvement dans les données expérimentales, comment deviner ce qui se passe dans la nature? »

Les plus jeunes physiciens qui étudient les particules ont dû faire face à un choix difficile: suivre le chemin parcouru au fil des décennies par leurs professeurs, et inventer des versions encore plus sophistiquées de la supersymétrie, ou suivre leur propre chemin, sans aucune direction d'aucune sorte de données.

"C'est une question difficile à laquelle la plupart d'entre nous essayons de ne pas répondre pour le moment", explique Adam Falkovsky, spécialiste en physique des particules de l'Université Paris-Sud XI à Orsay, France, qui travaille au CERN. Dans un article de blog sur les essais japonais, Falkovsky plaisante en disant qu'il est temps de chercher du travail en neurologie.

"Ce n'est nullement encourageant", a déclaré Stephen Martin, spécialiste de la physique des hautes énergies à l'Université du Nord de l'Illinois, travaillant sur la supersymétrie, ou brièvement SUSY. - Je ne pense certainement pas que SUSY devrait être correct. Je ne vois rien de mieux. "

La supersymétrie a dominé la physique des particules pendant des décennies et a exclu presque toutes les théories physiques alternatives qui vont au-delà du SM.

«Il est difficile de surestimer la contribution des physiciens à SUSY au cours des 20 à 30 dernières années, son échec aura donc un impact majeur sur notre région», a déclaré Peter Woit, spécialiste de la physique des particules et des mathématiques à l'Université Columbia.

La théorie est intéressante pour trois raisons. Elle prédit l'existence de particules dont la "matière noire" peut être composée, une substance invisible qui imprègne la périphérie des galaxies. Il combine les trois interactions fondamentales aux hautes énergies. Et, le plus grand avantage est qu'il résout un casse-tête physique appelé «problème de hiérarchie de jauge».

L'énigme est liée à la disproportion de la gravité et à la faible interaction nucléaire, qui est de 100 millions de milliards de milliards (10 ³²) est plus forte et agit à une échelle beaucoup plus petite, contrôlant l'interaction à l'intérieur du noyau atomique. Les particules qui transfèrent les interactions faibles, les bosons W et Z, reçoivent la masse du champ de Higgs, l'espace d'imprégnation du champ d'énergie. Mais on ne sait pas pourquoi l'énergie du champ de Higgs, et par conséquent les masses des bosons W et Z, sont si petites. Puisque d'autres particules sont associées au champ de Higgs, leurs énergies doivent y être déversées au moment des fluctuations quantiques. Cela devrait augmenter considérablement l'énergie du champ de Higgs, rendant les bosons W et Z plus massifs et conduisant au fait que l'interaction faible s'affaiblit au niveau de la gravité.



La supersymétrie résout le problème de la hiérarchie, en supposant l'existence d'un superpartenaire jumelé pour chaque particule élémentaire. Selon la théorie, les fermions qui composent la matière ont des superpartenaires boson qui transfèrent les interactions, et les bosons existants ont des superpartenaires fermion. Puisque les types de particules et leurs super partenaires sont opposés, les contributions de leur énergie au champ de Higgs ont des signes opposés - l'un l'augmente, le second le diminue. Les contributions des paires sont annihilées mutuellement et aucune catastrophe ne se produit. Et en prime, l'un des super partenaires non découverts peut faire partie de la matière noire.

"La supersymétrie est belle, et en physique, nous permettons à une telle beauté et esthétique de nous conduire dans la direction que la vérité peut être", a déclaré Brian Greene, physicien théoricien à l'Université Columbia.

Au fil du temps, les super partenaires n'étant pas apparus, la supersymétrie est devenue moins belle. Selon les modèles populaires, pour éviter la détection, les particules superpartenaires doivent être beaucoup plus lourdes que leurs homologues, et au lieu de la symétrie, un miroir incurvé apparaît. Les physiciens ont avancé un grand nombre d'idées sur la façon de briser la symétrie et ont engendré des milliers de versions de la supersymétrie.



Mais briser la supersymétrie est un nouveau problème. «Plus il est difficile de faire des superpartenaires par rapport aux particules existantes, pire est l'exclusion mutuelle de leurs actions», explique Martin.

La plupart des experts en physique des particules dans les années 80 pensaient que les super partenaires ne seraient que légèrement plus lourds que les particules connues. Mais sur le Tevatron, un accélérateur du Fermilab, désormais retiré du travail, rien de tel n'a été trouvé. Et tandis que le LHC teste des énergies toujours plus élevées sans trouver de trace de particules supersymétriques, certains physiciens affirment que la théorie est morte. «Je pense que le LHC a été la dernière goutte», a déclaré Voight.

Actuellement, la plupart des versions de travail de la supersymétrie prédisent des super partenaires si lourds qu'ils maîtriseraient les effets de leurs jumeaux légers, sinon pour une destruction mutuelle finement réglée des influences entre différents super partenaires. Mais un ajustement subtil, conçu pour neutraliser les problèmes de théorie et résoudre les problèmes de hiérarchie, n'est pas agréable à beaucoup. «Cela montre que nous devrons peut-être prendre du recul et réfléchir aux problèmes pour lesquels SUSY a été inventé», a déclaré Shifman.

Certains théoriciens ont éclaté et soutiennent que, malgré la beauté de la théorie originale, une combinaison laide de particules superpartenaires et de gouttelettes de réglages peut exister dans la nature. «Je pense que ce sera une erreur de se concentrer sur les versions populaires de la supersymétrie», a déclaré Matt Strassler, physicien des particules à l'Université Rutgers. "Les concours de popularité sont un indicateur peu fiable de la vérité."


Adam Falkovsky

Dans les modèles SUSY moins populaires, les plus légers des super partenaires se contentent de regarder le LHC. Dans d'autres modèles, les superpartenaires ne sont pas plus lourds que les particules existantes, mais moins stables, ce qui les rend plus difficiles à détecter. Ces théories continueront d'être testées sur le LHC après la mise à niveau.

S'ils ne trouvent rien de nouveau - et ils parlent d'un tel développement d'événements comme un "scénario de cauchemar" - les physiciens auront toujours les mêmes lacunes qui les ont confondus avec l'image globale de l'Univers il y a trois décennies, avant que la supersymétrie ne les ferme proprement. Et en l'absence d'un collisionneur d'énergie supérieure, dit Falkovsky, cette zone se dégradera lentement. "Le nombre d'emplois en physique des particules va chuter et les physiciens des particules vont disparaître naturellement."

Le vert est plus optimiste. «La science est un événement qui s'auto-ajuste», dit-il. «Les idées fausses déracinent avec le temps parce qu'elles sont stériles ou parce qu'elles mènent à des impasses.» Et cela se produit à l'intérieur de la zone. Et les gens continuent de travailler sur ce qui les fascine, et la science se rapproche de la vérité. »

Source: https://habr.com/ru/post/fr397363/