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La face cachée de la physique

PASADENA – Il y a presque un siècle, la première galaxie au-delà de la nôtre fut découverte, et la décennie suivante, la théorie d'un univers en expansion fut proposée. Depuis lors, d'étonnants développements technologiques ont contribué au progrès révolutionnaire en physique, en astronomie, en cosmologie et dans les sciences de la vie.

Aujourd'hui, la physique est à l'aube d'un nouveau développement. Le 4 juillet 2012, la communauté internationale de la physique a assisté à une découverte monumentale dans l'histoire de la physique des hautes énergies : un boson de Higgs. Le boson de Higgs, sur lequel on a longtemps spéculé, est le composant nécessaire pour valider le modèle standard des particules élémentaires comme « plan directeur » de l'univers réel. Le boson de Higgs attribue une masse à ces particules : sans lui, le monde physique comme nous l'entendons, serait dépourvu d'atomes, de chimie et de vie.

Aleppo

A World Besieged

From Aleppo and North Korea to the European Commission and the Federal Reserve, the global order’s fracture points continue to deepen. Nina Khrushcheva, Stephen Roach, Nasser Saidi, and others assess the most important risks.

Trouver ce qui était jusque-là une simple prédiction théorique a necessité une des entreprises scientifiques les plus importantes et les plus complexes jamais entreprise : la création d'un accélérateur de particules, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), près de Genève. Les recherches menées au LHC permettent désormais d'orienter notre compréhension de l'univers des particules élémentaires les plus petites vers notre étude de la cosmologie. De 2010 à 2012, le LHC a produit les toutes premières collisions proton-proton aux plus hautes énergies et des collisions à plus haute énergie encore sont prévues en 2015.

Les physiciens ont longtemps attendu que le LHC dévoile un nouveau domaine de particules et de champs associés à la « brisure de symétrie électrofaible » et à la matière noire de l'univers. Deux importantes observations expérimentales ont répondu à cette attente. La première fut celle des masses des bosons W et Z : les messagers des interactions nucléaires faibles, responsables notamment du fait que le soleil brille. La seconde fut celle d'un grand ensemble d'observations astrophysiques montrant la nécessité d'un « échafaudage » gravitationnel de l'univers : c'est la matière noire nécessaire pour empêcher que les étoiles et les galaxies ne volent en éclats.

Bien que la découverte du boson de Higgs nous aide à comprendre la source de la masse des particules élémentaires (y compris la sienne), la nature nous a encore surpris à deux autres égards. Tout d'abord, la masse mesurée du boson de Higgs rend la théorie complète « métastable » en l'absence de nouveaux phénomènes physiques. En d'autres termes, l'univers pourrait avoir d'autres configurations, plus énergétiquement favorables. Deuxièmement, les données du LHC semblent désapprouver, mais non pas exclure, le nouveau phénomène physique le plus esthétiquement et mathématiquement séduisant, la « supersymétrie », théorisée avec le boson de Higgs avant sa découverte réelle et qui est nécessaire pour répondre à des corrections quantiques. La persistance de l'énigme de la matière noire, combinée à ces considérations, pourrait modifier nos idées et nos prédictions fondamentales sur les conséquences de cette découverte.

De nouvelles idées sont formulées sur le boson de Higgs lui-même, et nous ouvrent un accès direct à la matière noire de l'univers. Un programme expérimental et théorique commun a pris forme dans les domaines de la physique des particules, de la cosmologie, de l'astrophysique et de la physique gravitationnelle en vue de découvrir une particule candidate de la matière sombre d'ici la prochaine décennie. L'enjeu est celui des paradigmes en vigueur depuis les 76 dernières années et qui ont été confirmés récemment par des mesures spectaculaires du cosmos.

Certaines personnalités du monde de la physique pourraient appeler cela une crise. Cependant, il est assez fréquent qu'une théorie manque de confirmation expérimentale. Toutes les recherches dans l'univers et dans le monde physique ont du mal à parvenir à une compréhension complète. En ce sens, nous sommes en crise perpétuelle et à l'aube d'une prochaine découverte. Il pourrait être plus juste de décrire la physique comme étant à un tournant ou à un carrefour.

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La physique fournit le cadre fondamental d'évolution sur lequel se construisent d'autres domaines scientifiques. A présent, avec l'arsenal technologique et la foule de données actuellement disponibles, la science peut aller bien au-delà de toutes les attentes et extrapolations passées. En effet, au cours des prochaines décennies, tous les domaines risquent de subir d'importantes révisions, car de nouvelles disciplines croisées vont voir le jour, ainsi que des pistes d'études n'appartenant pour l'instant à aucune discipline. Des équipes d'ingénierie quantique se forment déjà au sein des instituts universitaires et de recherche du monde entier. La fusion de l'informatique et de l'ingénierie des neurosciences a déjà produit des résultats qui ont longtemps appartenu au domaine de la science-fiction. 

La nature nous semble parfois complexe, aléatoire et difficile. Elle peut aussi nous frapper par sa simplicité, sa symétrie et sa beauté. D'une manière ou d'une autre, l'univers quantique n'a pas fini de nous surprendre.