Un boson de Higgs se désintègre dans cette collision enregistrée par le détecteur ATLAS le 18 mai 2012.
(Image: © ATLAS)
Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, hôte Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de "Votre place dans l'univers."Sutter a contribué à cet article Les voix d'experts de Space.com: Op-Ed & Insights.
Les symétries dans la nature alimentent notre compréhension fondamentale du cosmos, de l'universalité de la gravité à l'unification du forces de la nature aux hautes énergies.
Dans les années 1970, les physiciens ont découvert une symétrie potentielle qui unissait tous les types de particules de notre univers, des électrons aux photons et tout le reste. Cette connexion, appelée supersymétrie, s'appuie sur l'étrange propriété quantique du spin, et détient potentiellement la clé pour ouvrir une nouvelle compréhension de la physique.
Les symétries sont le pouvoir
Pendant des siècles, les symétries ont permis aux physiciens de trouver des connexions sous-jacentes et des relations fondamentales dans tout l'univers. Quand Isaac Newton a d'abord cliqué sur l'idée que la gravité qui tire une pomme d'un arbre est exactement la même force qui maintient la lune en orbite autour du soleil, il a découvert une symétrie: les lois de la gravité sont vraiment universelles. Cette perspicacité lui a permis de faire un énorme bond en avant dans la compréhension du fonctionnement de la nature.
Tout au long des années 1800, les physiciens du monde entier se sont interrogés sur les propriétés étranges de l'électricité, du magnétisme et du rayonnement. Qu'est-ce qui a fait couler le courant électrique sur un fil? Comment un aimant en rotation pourrait-il pousser ce même courant? La lumière était-elle une onde ou une particule? Des décennies de réflexion difficile ont abouti à une percée mathématique nette par James Clerk Maxwell, qui a unifié toutes ces branches d'enquête distinctes sous un seul ensemble d'équations simples: électromagnétisme.
Albert Einstein a également fait sa marque en poussant les idées de Newton un peu plus loin. Prenant comme maxime que toutes les lois physiques devraient être les mêmes quelle que soit votre position ou votre vitesse, il a révélé relativité restreinte; les notions de temps et d'espace ont dû être réécrites pour préserver cette symétrie de la nature. Et l'ajout de gravité à ce mélange l'a amené à relativité générale, notre compréhension moderne de cette force.
Même nos lois de conservation - la conservation de l'énergie, la conservation de l'élan, etc. - dépendent de la symétrie. Le fait que vous puissiez exécuter une expérience jour après jour et obtenir le même résultat révèle une symétrie dans le temps, qui grâce au génie mathématique de Emmy Noether conduit à la loi de la conversation de l'énergie. Et si vous prenez votre expérience et la déplacez à travers la pièce et obtenez toujours le même résultat, vous venez de découvrir une symétrie à travers l'espace et la conservation correspondante de l'élan.
Un miroir qui tourne
Dans le monde macroscopique, cela résume à peu près toutes les symétries que nous avons rencontrées dans la nature. Mais le monde subatomique est une autre histoire. Les particules fondamentales de notre univers ont une propriété intéressante connue sous le nom de "spin". Il a été découvert pour la première fois dans des expériences qui tiraient des atomes à travers un champ magnétique varié, provoquant une déviation de leurs trajectoires de la même manière qu'une boule métallique en rotation chargée électriquement.
Mais les particules subatomiques ne tournent pas, des billes métalliques chargées électriquement; ils agissent comme eux dans certaines expériences. Et contrairement à leurs analogues du monde régulier, les particules subatomiques ne peuvent pas avoir la rotation qu'elles souhaitent. Au lieu de cela, chaque type de particule obtient sa propre quantité unique de spin.
Pour diverses raisons mathématiques obscures, certaines particules comme l'électron ont un spin de ½, tandis que d'autres particules comme le photon ont un spin de 1. Si vous vous demandez comment un photon pourrait éventuellement se comporter comme une boule de métal chargée en rotation, alors ne le transpirez pas trop; vous êtes libre de penser au "spin" comme une autre propriété des particules subatomiques que nous devons suivre, comme leur masse et leur charge. Et certaines particules ont plus de cette propriété et d'autres moins.
En général, il existe deux grandes "familles" de particules: celles à demi-entier (1/2, 3/2, 5/2, etc.) et celles à entier (0, 1, 2, etc.) .) tourner. Les halfsies sont appelés "fermions" et sont constitués des éléments constitutifs de notre monde: électrons, quarks, neutrinos, etc. Les wholsies sont appelés "bosons" et sont les porteurs des forces de la nature: photons, gluons et autres.
À première vue, ces deux familles de particules ne pouvaient pas être différentes.
Symphonie de particules
Dans les années 1970, théoriciens des cordes a commencé à regarder d'un œil critique cette propriété de la rotation et a commencé à se demander s'il pouvait y avoir une symétrie de la nature. L'idée s'est rapidement développée en dehors de la communauté des cordes et est devenue un domaine de recherche actif dans le domaine de la physique des particules. Si elle est vraie, cette «supersymétrie» unirait ces deux familles de particules apparemment disparates. Mais à quoi ressemblerait cette supersymétrie?
L'essentiel est que, en supersymétrie, chaque fermion aurait une "particule superpartenaire" (ou "sparticule" pour faire court - et les noms ne feront qu'empirer) dans le monde des bosons, et vice versa, avec exactement la même masse et charger mais un spin différent.
Mais si nous partons à la recherche des sparticules, nous n'en trouvons pas. Par exemple, la particule de l'électron (le "sélectron") devrait avoir la même masse et la même charge que l'électron, mais un spin de 1.
Cette particule n'existe pas.
Donc, d'une manière ou d'une autre, cette symétrie doit être brisée dans notre univers, entraînant les masses des particules hors de portée de nos collisionneurs de particules. Il existe de nombreuses façons différentes de réaliser la supersymétrie, toutes prédisant des masses différentes pour les sélectrons, les quarks d'arrêt, les sneutrinos et tout le monde.
À ce jour, aucune preuve de supersymétrie n'a été trouvée, et des expériences au Grand collisionneur de hadrons ont exclu les modèles supersymétriques les plus simples. Bien que ce ne soit pas tout à fait le dernier clou du cercueil, les théoriciens se grattent la tête, se demandant si la supersymétrie ne se trouve pas vraiment dans la nature, et ce à quoi nous devrions penser ensuite si nous ne trouvons rien.
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