Dans la théorie des cordes, de minuscules morceaux de corde remplacent les particules subatomiques traditionnelles.
Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, hôte de 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.
La théorie des cordes espère être une théorie littérale de tout, un cadre unificateur unique qui explique toute la variété et la richesse que nous voyons dans le cosmos et dans nos collisionneurs de particules, de la façon dont la gravité se comporte à tout ce que diable énergie noire c'est pourquoi les électrons ont la masse qu'ils ont. Et bien que ce soit une idée potentiellement puissante, qui si elle était déverrouillée révolutionnerait complètement notre compréhension du monde physique, elle n'a jamais été directement testée.
Il existe cependant des moyens d’explorer certains des fondements et les conséquences potentielles de théorie des cordes. Et bien que ces tests ne prouveraient pas la théorie des cordes directement d'une manière ou d'une autre, ils aideraient à renforcer sa thèse. Explorons.
Un problème inquiétant
Mais d'abord, nous devons examiner pourquoi la théorie des cordes est si difficile à tester. Il y a deux raisons.
Les cordes de la théorie des cordes sont incroyablement petites, on pense qu'elles se situent quelque part autour de l'échelle de Planck, à peine 10 à 34 mètres de diamètre. C'est beaucoup, beaucoup plus petit que tout ce que nous pouvons espérer sonder même avec nos instruments les plus précis. Les cordes sont si petites, en fait, qu'elles nous semblent être des particules ponctuelles, comme des électrons, des photons et des neutrons. Nous ne pouvons tout simplement pas regarder une chaîne directement.
Liée à cette petitesse est l'échelle d'énergie nécessaire pour sonder les régimes où la théorie des cordes compte réellement. À ce jour, nous avons deux approches différentes pour expliquer le quatre forces de la nature. D'une part, nous avons les techniques de la théorie des champs quantiques, qui fournissent une description microscopique de l'électromagnétisme et des deux forces nucléaires. Et de l'autre nous avons relativité générale, ce qui nous permet de comprendre la gravité comme la flexion et la déformation de l'espace-temps.
Pour tous les cas que nous pouvons examiner directement, utiliser l'un ou l'autre est très bien. La théorie des cordes n'entre en jeu que lorsque nous essayons de combiner les quatre forces avec une seule description, ce qui ne compte vraiment qu'aux échelles d'énergie les plus élevées - si élevées que nous ne pourrions jamais, jamais construire une machine pour atteindre de telles hauteurs.
Mais même si nous pouvions concevoir un collisionneur de particules pour sonder directement les énergies de la gravité quantique, nous ne pourrions pas tester la théorie des cordes, car pour l'instant la théorie des cordes n'est pas complète. Ça n'existe pas. Nous n'avons que des approximations qui, nous l'espérons, se rapprochent de la théorie actuelle, mais nous n'avons aucune idée de notre bien (ou de notre mal). La théorie des cordes n'est donc même pas à la hauteur de la tâche de faire des prédictions que nous pourrions comparer à des expériences hypothétiques.
Blues cosmique
Même si nous ne pouvons pas atteindre les énergies nécessaires à nos collisionneurs de particules pour vraiment jeter un regard en profondeur sur le monde potentiel des cordes, il y a 13,8 milliards d'années, notre univers entier était un chaudron de forces fondamentales. Peut-être pourrions-nous obtenir des informations plus précises en examinant l’histoire de le Big Bang.
Une suggestion avancée par les théoriciens des cordes est un autre type de chaîne théorique: la chaîne cosmique. Les cordes cosmiques sont des défauts qui couvrent l'univers dans l'espace-temps, des restes des premiers moments du Big Bang, et elles sont une prédiction assez générique de la physique de ces époques de l'univers.
Mais cordes cosmiques pourraient également être des cordes super étirées de la théorie des cordes, qui sont généralement si petites que "microscopique" est trop gros, mais ont été étirées et tirées par l'expansion incessante de l'univers. Donc, si nous trouvions une chaîne cosmique flottant dans le cosmos, nous pourrions l'étudier attentivement et vérifier si c'est vraiment quelque chose de prédit par la théorie des cordes.
À ce jour, aucune corde cosmique n'a été trouvée dans notre univers.
Pourtant, la recherche est en cours. Si nous trouvions une chaîne cosmique, cela ne validerait pas nécessairement la théorie des cordes - il y aurait encore beaucoup de travail à faire, à la fois théoriquement et observationnellement, pour distinguer la prédiction de la théorie des cordes de la version fissure dans l'espace-temps.
Pas si supersymétrique
Pourtant, nous pourrions être en mesure de trouver des indices intéressants, et l'un de ces indices est supersymétrie. La supersymétrie est une symétrie hypothétique de la nature qui relie tous les fermions (les éléments constitutifs de la réalité comme les électrons et les quarks) avec les bosons (les porteurs des forces comme les gluons et les photons) sous un même cadre.
Le mécanisme de la supersymétrie a d'abord été élaboré par des théoriciens des cordes, mais a pris le feu comme une avenue intéressante pour tous les physiciens des hautes énergies pour potentiellement résoudre certains problèmes avec le Modèle standard et faire des prédictions pour la nouvelle physique. Dans la théorie des cordes, la supersymétrie permet aux cordes de décrire non seulement les forces de la nature mais aussi les éléments constitutifs, donnant à cette théorie le pouvoir d'être vraiment une théorie de tout.
Donc, si nous trouvions des preuves de supersymétrie, cela ne prouverait pas la théorie des cordes, mais ce serait un tremplin majeur.
Nous n'avons trouvé aucune preuve de supersymétrie.
le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a été explicitement conçu pour explorer la supersymétrie, ou au moins certaines des versions les plus simples et les plus faciles d'accès de la supersymétrie, en recherchant de nouvelles particules prédites par la théorie. Le LHC est devenu complètement vide, sans même une bouffée d'une nouvelle particule supersymétrique, effaçant complètement toutes les idées de supersymétrie les plus simples de la carte.
Et bien que ce résultat négatif n'exclue pas la théorie des cordes, il ne le rend pas trop beau non plus.
Aurons-nous un jour des preuves de l'un des fondements ou des prédictions secondaires de la théorie des cordes? C'est impossible à dire. Beaucoup d'espoirs reposaient sur la supersymétrie, qui n'a jusqu'à présent pas réussi, et des questions demeurent quant à savoir s'il vaut la peine de construire des collisionneurs encore plus grands pour essayer de pousser plus fort sur la supersymétrie, ou si nous devons simplement abandonner et essayer autre chose.
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En savoir plus en écoutant l'épisode "La théorie des cordes en vaut-elle la peine? (Partie 6: Nous devrions probablement tester cela)" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web àhttp://www.askaspaceman.com. Merci à John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.
