Je vous ai déjà
donné quelques exemples de la façon dont
des dimensions supplémentaires peuvent être représentées dans la nature - des dimensions dans l'espace, dont nous ne sommes même pas conscients. Mais jusqu'à présent, je n'ai pas encore expliqué comment les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur leur existence.
Ici, vous pouvez utiliser plusieurs stratégies de base, mais pour l'instant je me concentrerai sur une simple conséquence de l'existence de dimensions supplémentaires. Il a un caractère très général et conduit à une stratégie pour étudier la physique des particules, qui est pertinente pour de nombreuses études, y compris des expériences au Grand collisionneur de hadrons.
Mon explication se fera en deux temps. Dans un premier temps, en utilisant la physique la plus simple, je vais vous donner une compréhension intuitive, simple mais imparfaite (puisque la mécanique quantique n'y sera pas prise en compte), et je fournirai une réponse partiellement incorrecte. Dans la deuxième étape, je corrigerai l'inexactitude, ce qui nécessitera une autre complication supplémentaire, puis vous verrez la réponse entière.
Mais avant de commencer l'explication, je vais d'abord vous donner une réponse tout de suite afin que vous compreniez ce que je vais devoir vous expliquer. Le voici - de plusieurs façons, pour vous le rendre plus clair.
Toute particule se déplaçant dans des dimensions supplémentaires à celles que nous connaissons déjà ressemblera à vous et moi, observateurs naïfs qui n'ont aucune idée des dimensions supplémentaires, à des particules de plusieurs types, dont chacune ne se déplace que dans des dimensions que nous connaissons, et les différences entre lesquelles très petit, sauf pour leurs masses.
En d'autres termes: si une particule d'un certain type peut se déplacer dans toutes les dimensions, alors il semblera à un observateur non averti que dans la nature il n'y a pas seulement cette particule (se déplaçant uniquement dans les dimensions qui lui sont connues), mais tout un ensemble de particules apparentées, «partenaires KK», chacune qui se déplace également dans des directions connues, légèrement différentes de la particule d'origine, sauf qu'elles seront plus lourdes. "KK" fait référence à la
théorie de Kaluza-Klein , à propos de laquelle plus tard.
Supposons que nous vivons dans quatre dimensions spatiales, dont trois sont grandes (que nous connaissons) et la quatrième est très courte (comme la largeur de la bande que j'ai utilisée dans les exemples précédents). Par court terme, on entend une distance vraiment courte, inférieure au diamètre du proton. Appelez cette distance L.
Imaginez maintenant qu'il existe une particule, très, très petite, plus petite que L, qui peut se déplacer librement dans les quatre dimensions spatiales. Nous supposons également l'existence d'observateurs rusés qui savent que cette particule peut se déplacer en quatre dimensions et a une masse m. Nous allons maintenant considérer des observateurs naïfs qui ne connaissent pas la petite dimension spatiale, qui croient vivre dans un monde en trois dimensions. Après quelques expériences indiquées sur la fig. 1, on peut dire: «voici un type de particule qui peut se déplacer en trois dimensions, et qui a la masse m; mais, regardez, un autre type de particule, également capable de se déplacer en trois dimensions, et il est semblable au premier, seulement sa masse M, beaucoup plus que m; et, wow, voici un autre type de particule capable de se déplacer en trois dimensions, similaire à la première, seulement elle a une masse M ', supérieure à M; et un autre type de particule, la masse M »; et plus, et plus ... "
Fig. 1Les masses M, M ', M "et ainsi de suite sont déterminées par la combinaison de la masse fondamentale m et de la géométrie des dimensions spatiales supplémentaires - en particulier, M, M', M" et ainsi de suite sont inversement proportionnelles à L. Le plus petit L, le plus grand M, M ', M ”et ainsi de suite, et plus il est difficile de trouver de lourds partenaires QC. De plus, la séquence des masses apparaissant dans les partenaires QC donne une indication directe de la quantité, de la taille et de la forme des mesures supplémentaires. Vous pouvez donner une analogie musicale - ce fait est dû au fait que les harmoniques exactes produites par l'instrument peuvent donner des informations sur sa forme et sa taille.
Par exemple: si les photons (particules de lumière) pouvaient se déplacer dans une ou plusieurs dimensions supplémentaires, comme un bateau dans un canal, alors un observateur qui serait au courant de dimensions supplémentaires les décrirait comme des particules sans masse (m = 0) se déplaçant dans toutes les dimensions . Mais un scientifique humain qui, jusqu'à présent, ne connaît qu'un photon sans masse se déplaçant dans trois dimensions connues découvrirait un ensemble de particules lourdes similaires aux photons. Plus la taille de la mesure supplémentaire est petite, plus la masse de photons KK est grande et plus il est difficile de les ouvrir - plus précisément, plus ils sont lourds et plus l'accélérateur de particules aura besoin d'énergie pour les générer.
Il se pourrait bien que plusieurs types de particules puissent se déplacer dans des dimensions supplémentaires, et dans ce cas, les scientifiques découvriront des partenaires KK lourds pour chacun de ces types de particules (voir Fig. 2). La découverte d'un petit nombre de particules lourdes ressemblant à certaines des particules légères connues, dont la distribution de masse sera similaire à la Fig. La distribution 2 indiquera clairement que les nouvelles particules sont des partenaires QC, et que nous avons une ou plusieurs dimensions supplémentaires.
Fig. 2C'est la réponse simple: une particule se déplaçant à la fois dans des dimensions supplémentaires et dans des dimensions connues s'ouvrira à nous à travers la découverte de ses lourds partenaires QC. Plus tard, je décrirai plus précisément comment vous pouvez essayer de produire et d'ouvrir des partenaires QC dans l'expérience. Dans les
articles suivants, je décrirai pourquoi cette réponse particulière sera correcte - et je donnerai une version simple et complexe de l'explication.