Les physiciens qui ont erré dans le «paysage» de la théorie des cordes - un espace de milliards et de milliards de solutions mathématiques à une théorie dans laquelle chaque solution fournit les équations avec lesquelles les physiciens tentent de décrire la réalité - sont tombés sur un sous-ensemble de telles équations qui incluent autant de particules de matière qu'il y en a. dans notre univers. Cependant, ce sous-ensemble est énorme: il existe au moins un quadrillion de solutions de ce type. Il s'agit de la plus grande découverte de l'histoire de la théorie des cordes.
L'univers en théorie des cordes
Selon la théorie des cordes, toutes les particules et les forces fondamentales sont générées par de minuscules cordes vibrantes. Par souci de cohérence mathématique, ces chaînes vibrent dans un espace-temps à 10 dimensions. Et par cohérence avec notre expérience quotidienne habituelle de l'existence dans l'Univers, avec trois dimensions spatiales et une dimension temporelle, les six dimensions supplémentaires sont «compactées» de sorte qu'elles ne peuvent pas être détectées.
Différentes compactifications conduisent à des solutions différentes. En théorie des cordes, «solution» fait référence au vide de l'espace-temps, qui est régi par la théorie de la gravité d'Einstein combinée à la théorie quantique des champs. Chaque solution décrit un univers unique, avec son propre ensemble de particules, de forces fondamentales et d'autres propriétés déterminantes.
Certains théoriciens des cordes ont concentré leurs efforts sur la recherche de moyens de relier la théorie des cordes aux propriétés de notre univers observable connu - en particulier, le modèle standard de la physique des particules, qui décrit toutes les particules et forces connues à l'exception de la gravité.
Une grande partie de cet effort provient d'une version de la théorie des cordes dans laquelle les cordes interagissent faiblement. Au cours des vingt dernières années, cependant, une nouvelle branche de la théorie des cordes appelée théorie F a permis aux physiciens de travailler avec des cordes en interaction forte - ou étroitement couplées.
«Les résultats intéressants sont que lorsque la relation est grande, nous pouvons commencer à décrire la théorie de manière très géométrique», explique Miriam Tsvetik de l'Université de Pennsylvanie à Philadelphie.
Vidéo promotionelle:
Cela signifie que les théoriciens des cordes peuvent utiliser la géométrie algébrique - qui utilise des techniques algébriques pour résoudre des problèmes géométriques - pour analyser différentes façons de compacter des dimensions supplémentaires dans la théorie F et trouver des solutions. Les mathématiciens étudient indépendamment certaines des formes géométriques qui apparaissent dans la théorie F. «Ils nous fournissent aux physiciens une multitude d'outils», déclare Ling Lin, également de l'Université de Pennsylvanie. "La géométrie est en fait très importante, c'est le" langage "qui fait de la théorie F une structure puissante."
Quadrillions d'univers
Ainsi, Tsvetik, Lin, James Halverson de la Northeastern University à Boston ont utilisé ces méthodes pour identifier une classe de solutions avec des modes de cordes vibrantes qui conduisent au même spectre de fermions (ou particules de matière) que celui décrit par le modèle standard - y compris la propriété, en raison de laquelle les fermions sont de trois générations (par exemple, l'électron, le muon et le tau sont trois générations du même type de fermions).
Les solutions de la théorie F découvertes par Tsvetik et ses collègues incluent également des particules qui présentent une chiralité (manque de symétrie sur les côtés droit et gauche) du modèle standard. Dans la terminologie de la physique des particules, ces solutions reproduisent le «spectre chiral» exact des particules dans le modèle standard. Par exemple, les quarks et leptons dans ces solutions ont des versions gauche et droite, comme dans notre univers.
Le nouveau travail montre qu'il existe au moins un quadrillion de solutions dans lesquelles les particules ont le même spectre chiral que dans le modèle standard, 10 ordres de grandeur de solutions de plus que ce qui a été trouvé dans la théorie des cordes jusqu'à présent. «Il s'agit de loin de la plus grande sous-classe de solutions de modèle standard», déclare Tsvetik. "Ce qui est étonnant et agréable, c'est que tout est dans la théorie des cordes étroitement couplée où la géométrie nous aide."
Quadrillion est un nombre extrêmement grand, bien que bien inférieur au nombre de solutions de la théorie F (qui, au dernier décompte, est d'environ 10 272 000). Et comme c'est un nombre extrêmement grand, qui trahit quelque chose de non-trivial et de vrai en physique des particules dans le monde réel, il sera étudié avec toute la rigueur et le sérieux, dit Halverson.
Une exploration plus approfondie comprendra l'identification de liens plus forts avec la physique des particules dans le monde réel. Les chercheurs doivent identifier les connexions ou les interactions entre les particules dans les solutions de la théorie F, qui dépendent encore une fois des détails géométriques de la compactification de dimension supplémentaire.
Il est fort possible que dans l'espace d'un quadrillion de solutions, certaines solutions conduisent à la désintégration d'un proton à des échelles de temps prévisibles. Cela contredirait clairement le monde réel, puisque les expériences n'ont révélé aucun signe de désintégration du proton. Ou les physiciens pourraient rechercher des solutions mettant en œuvre le spectre des particules du modèle standard, tout en préservant la symétrie mathématique (parité R). Cette symétrie interdit certains processus de désintégration du proton et serait très intéressante du point de vue de la physique des particules, mais elle est absente des modèles modernes.
De plus, ce travail suppose l'existence d'une supersymétrie - c'est-à-dire que toutes les particules standard ont des particules partenaires. La théorie des cordes a besoin de cette symétrie pour assurer la cohérence mathématique des solutions.
Mais pour que toute théorie de la supersymétrie soit cohérente avec l'univers observable, la symétrie doit être brisée (tout comme placer des couverts et un verre sur le côté gauche ou droit hors de synchronisation briserait la symétrie du décor de la table). Sinon, les particules partenaires auront la même masse que les particules du modèle standard - ce qui n'est certainement pas le cas, puisque nous n'avons pas vu de telles particules partenaires dans nos expériences.
Ilya Khel
