Le plus grand problème non résolu de la physique moderne: pourquoi la gravité est-elle si faible?

Notre modèle standard de particules élémentaires et d'interactions est devenu il n'y a pas si longtemps aussi complet qu'on aurait pu le souhaiter. Chaque particule élémentaire - sous toutes ses formes possibles - a été créée en laboratoire, mesurée et les propriétés déterminées pour tous. Le quark supérieur le plus ancien, l'antiquark, le neutrino et l'antineutrino tau, et enfin le boson de Higgs, ont été victimes de nos possibilités.

Et le dernier, le boson de Higgs, a également résolu l'ancien problème de la physique: enfin, nous pouvons démontrer d'où viennent les particules élémentaires!



Tout est cool, mais la science ne se termine pas lorsque la solution à ce puzzle se termine. Au contraire, cela soulève des questions importantes, et l'une d'elles est «et ensuite?». Quant au modèle standard, on peut dire que nous ne savons toujours pas tout. Et pour la plupart des physiciens, l'une des questions est particulièrement importante - pour la décrire, considérons d'abord la propriété suivante du modèle standard.



D'une part, les interactions faibles, électromagnétiques et fortes peuvent être très importantes, selon leurs énergies et les distances auxquelles l'interaction a lieu. Mais avec la gravité, ce n'est pas comme ça.

Si vous lisez soudain ce beau livre de Lisa Randall , l' auteur , elle a beaucoup écrit sur cette énigme, que j'appellerais le plus grand problème non résolu de la physique théorique: le problème de la hiérarchie .



Nous pouvons prendre deux particules élémentaires quelconques - n'importe quelle masse et sujette à toutes les interactions - et constater que la gravité est 40 ordres de grandeur plus faible que n'importe quelle autre force dans l'univers. Cela signifie que la force de gravité est de 10 ⁴⁰fois plus faible que les trois forces restantes. Par exemple, bien qu'ils ne soient pas fondamentaux, mais si vous prenez deux protons et les transportez à un mètre l'un de l'autre, la répulsion électromagnétique entre eux sera 10 à ⁴⁰ fois plus forte que l'attraction gravitationnelle. Ou, en d'autres termes, nous devons augmenter la force de gravité de 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 de fois pour la comparer à toute autre force.

De plus, on ne peut pas simplement augmenter la masse de protons d'un facteur 10 ²⁰ , de sorte que la gravité les rapproche, surmontant la force électromagnétique.



Au lieu de cela, pour que des réactions comme celle illustrée ci-dessus se produisent spontanément, lorsque les protons surmontent leur répulsion électromagnétique, vous devez rassembler 10 ⁵⁶protons. Ce n'est qu'en se rapprochant et en succombant à la force de la gravité qu'ils peuvent vaincre l'électromagnétisme. Il s'avère que 10 ⁵⁶ protons constitueront la masse minimale possible de l'étoile.

Ceci est une description du fonctionnement de l'univers - mais pourquoi il est tel, nous ne le savons pas. Pourquoi la gravité est-elle plus faible que les autres interactions? Pourquoi la «charge gravitationnelle» (c'est-à-dire la masse) est-elle si plus faible que l'électricité ou la couleur, ou même faible?

C'est là que réside le problème de la hiérarchie et, pour de nombreuses raisons, il constitue le plus grand problème non résolu de la physique. La réponse nous est inconnue, mais nous ne pouvons pas dire que nous sommes complètement ignorants. Théoriquement , nous avons de bonnes idées pour trouver une solution et un outil pour trouver des preuves de leur exactitude.



Jusqu'à présent, le Grand collisionneur de hadrons - l'énergie la plus élevée des collisionneurs - a atteint des niveaux d'énergie sans précédent dans le laboratoire, a recueilli un tas de données et recréé ce qui se passe aux points de collision. Cela comprend la création de nouvelles particules jusque-là invisibles (comme le boson de Higgs) et l'apparition de vieilles particules bien connues du modèle standard (quarks, leptons, bosons de jauge). De plus, il est capable, s'ils existent, de produire d'autres particules qui ne sont pas incluses dans le modèle standard.

Je connais quatre façons possibles - c'est-à-dire quatre bonnes idées - de résoudre le problème de la hiérarchie. La bonne nouvelle est que si la nature en a choisi un, le LHC le trouvera! (Et sinon, la recherche se poursuivra).



En plus du boson de Higgs, découvert il y a plusieurs années, aucune nouvelle particule fondamentale n'a été trouvée sur le LHC. (De plus, il n'y a pas du tout de nouvelles particules candidates intrigantes). Et pourtant, la particule trouvée correspondait parfaitement à la description du modèle standard; aucun indice statistiquement significatif de nouvelle physique n'a été observé. Ni bosons de Higgs composites, ni particules de Higgs multiples, ni désintégrations non standard, rien de tout cela.

Mais maintenant, nous avons commencé à recevoir des données d'énergies encore plus élevées, deux fois plus importantes que les précédentes, jusqu'à 13-14 TeV pour trouver autre chose. Et quelles sont, dans cette veine, les solutions possibles et raisonnables au problème de la hiérarchie?



1) Supersymétrie ou SUSY. La supersymétrie est une symétrie spéciale capable de provoquer des masses normales de particules suffisamment grandes pour que la gravité soit comparable à d'autres influences, s'annulant mutuellement avec un haut degré de précision. Cette symétrie suppose également que chaque particule du modèle standard a une superparticule partenaire et qu'il y a cinq particules de Higgs et cinq de leurs superpartenaires. Si une telle symétrie existe, elle doit être brisée, sinon les super partenaires auraient les mêmes masses que les particules ordinaires, et ils auraient longtemps été retrouvés.

Si SUSY existe à une échelle appropriée pour résoudre le problème de hiérarchie, alors le LHC, ayant atteint des énergies de 14 TeV, doit trouver au moins un superpartenaire, ainsi qu'une deuxième particule de Higgs. Sinon, l'existence de super partenaires très lourds entraînera en soi un autre problème de hiérarchie qui n'aura pas de bonne solution. (Fait intéressant, l'absence de particules SUSY à toutes les énergies réfutera la théorie des cordes, car la supersymétrie est une condition nécessaire pour les théories des cordes contenant un modèle standard de particules élémentaires).

Voici la première solution possible au problème de la hiérarchie, qui n'a actuellement aucune preuve.



2) Technicvet(Technicolor). Non, ce n'est pas un système de cinéma couleur des années 1950, c'est un terme physique pour les théories qui nécessitent de nouvelles interactions de jauge, et manquant de particules de Higgs ou ayant des particules de Higgs instables ou inobservables (c'est-à-dire composites). Si la couleur technique était confirmée, il aurait également besoin d'un nouvel ensemble intéressant.particules observées. En principe, ce système pourrait être la solution à notre problème, mais la récente découverte d'une particule spin-zéro au niveau d'énergie souhaité semble réfuter cette solution possible. Maintenant, si cette particule de Higgs n'était pas fondamentale, mais composite, composée de plusieurs particules fondamentales, cela aiderait la théorie à rester une solution acceptable. Un futur test du LHC à des énergies de 13-14 TeV sera suffisant pour le savoir avec certitude.

Il y a deux autres possibilités, l'une d'entre elles est plus prometteuse, mais les deux incluent des dimensions supplémentaires.



3) Mesures supplémentaires réduites. Cette théorie, introduite par Lisa Randall et Raman Sundrum susmentionnées, postule que la gravité est en fait aussi forte que les autres influences, mais pas dans un univers à trois dimensions spatiales. Elle vit dans un autre univers à trois dimensions spatiales, décalé par rapport au nôtre de seulement 10 à ³¹ mètres dans la quatrième dimension spatiale (ou, comme le montre le diagramme ci-dessus, dans la cinquième dimension, lorsque le temps est allumé). Cette théorie est intéressante car un tel système serait stable et pourrait expliquer pourquoi l'Univers se développait si rapidement au tout début (et l'espace-temps recroquevillé en est capable), il présente donc de forts avantages.

Il doit également inclure un ensemble supplémentaire de particules; non pas des particules supersymétriques, mais des particules de Kaluza-Klein, et ceci est une conséquence de la présence de mesures supplémentaires. Soit dit en passant, dans l'expérience spatiale , un indice a été obtenu de l'existence de particules de Kaluza-Klein à des énergies de 600 GeV, ou avec une masse de 5 fois celle de Higgs. Et, bien que de telles énergies n'aient pas encore été atteintes chez les collisionneurs actuels, le nouveau LHC devra être capable de créer de telles particules en abondance, si elles existent.



Mais l'existence de cette nouvelle particule n'est pas garantie, car le signal reçu n'est qu'un excès des électrons observés par rapport au fond attendu. Mais il faut le garder à l'esprit, car lorsque le LHC accélère aux énergies maximales, presque toutes les particules pesant en dessous de 1000 GeV devront être à sa portée.

Et enfin ...



4) Grandes dimensions supplémentaires. Les mesures supplémentaires peuvent ne pas être réduites, mais grandes, mais grandes uniquement en comparaison avec les valeurs réduites, dont la taille est de 10 à ³¹ m. Les "grandes" mesures doivent être de taille millimétrique, de sorte que de nouvelles particules devraient commencer à apparaître dans les limites des capacités du LHC. Là encore, des particules de Kaluza-Klein peuvent également apparaître, ce qui peut être une solution possible au problème de la hiérarchie.

Mais l'une des conséquences de ce modèle sera que la gravité s'écartera fortement du newtonien à des distances inférieures au millimètre, et tester cela est très difficile. Les expérimentateurs modernes sont cependant prêts à relever le défi .



Il est possible de créer de minuscules supports surfondus remplis de cristaux piézoélectriques (générant de l'électricité lors de la déformation), avec des distances entre eux de l' ordre du micromètre . Cette technologie nous permet d'imposer une limitation de 5-10 microns sur les "grandes" mesures. En d'autres termes, la gravité fonctionne selon des prédictions de la relativité générale sur des échelles beaucoup plus petites qu'un millimètre. Donc, s'il y a de grandes dimensions supplémentaires, elles se trouvent à des niveaux d'énergie inaccessibles au LHC et, plus important encore, elles ne résolvent pas le problème de la hiérarchie.

Bien sûr, une solution complètement différente peut être trouvée pour le problème de la hiérarchie.qui ne peut être trouvée sur les collisionneurs modernes, ou il n'y a pas de solution du tout; il peut simplement être une propriété de la nature sans aucune explication. Mais la science ne progressera pas sans essayer, et c'est exactement ce que ces idées et ces recherches tentent de faire: faire avancer notre connaissance de l'Univers. Et, comme toujours, avec le début du deuxième lancement du LHC, j'ai hâte de voir ce qui pourrait y apparaître, à l'exception du boson Higgs déjà ouvert!

Source: https://habr.com/ru/post/fr397421/