Les symétries qui régissent le monde des particules élémentaires au niveau le plus élémentaire pourraient être radicalement différentes de ce que l'on a pensé jusqu'à présent. Cette conclusion surprenante émerge de nouveaux travaux publiés par des théoriciens de Varsovie et de Potsdam. Le schéma qu'ils posent unifie toutes les forces de la nature d'une manière cohérente avec les observations existantes et anticipe l'existence de nouvelles particules aux propriétés inhabituelles qui peuvent même être présentes dans nos environs proches.

Pendant un demi-siècle, les physiciens ont essayé de construire une théorie qui unit les quatre forces fondamentales de la nature, décrit les particules élémentaires connues et prédit l'existence de nouvelles. Jusque là, ces tentatives n'ont pas trouvé de confirmation expérimentale, et le modèle standard—un modèle incomplet, mais une construction théorique étonnamment efficace - est toujours la meilleure description du monde quantique. Dans un article récent de Lettres d'examen physique , Prof. Krzysztof Meissner de l'Institut de physique théorique, Faculté de physique, Université de Varsovie, et le professeur Hermann Nicolai du Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik de Potsdam ont présenté un nouveau schéma généralisant le modèle standard qui intègre la gravitation dans la description. Le nouveau modèle applique une sorte de symétrie non utilisée auparavant dans la description des particules élémentaires.

En physique, les symétries sont comprises un peu différemment que dans le sens familier du mot. Par exemple, qu'une balle tombe maintenant ou dans une minute, il tombera toujours de la même manière. C'est une manifestation d'une certaine symétrie :les lois de la physique restent inchangées en ce qui concerne les décalages dans le temps. De la même manière, laisser tomber la balle de la même hauteur à un endroit a le même résultat que de la laisser tomber à un autre. Cela signifie que les lois de la physique sont également symétriques par rapport aux opérations spatiales.

"Les symétries jouent un rôle énorme en physique car elles sont liées aux principes de conservation. Par exemple, le principe de conservation de l'énergie implique une symétrie par rapport aux décalages dans le temps, le principe de la conservation de la quantité de mouvement concerne la symétrie du déplacement spatial, et le principe de la conservation du moment cinétique se rapporte à la symétrie de rotation, " dit le professeur Meissner.

Le développement d'une théorie supersymétrique pour décrire les symétries entre les fermions et les bosons a commencé dans les années 1970. Les fermions sont des particules élémentaires dont le spin, une propriété quantique liée à la rotation, s'exprime en multiples impairs de la fraction 1/2, et ils comprennent à la fois des quarks et des leptons. Parmi ces derniers figurent les électrons, muons, taons, et leurs neutrinos associés (ainsi que leurs antiparticules). Protons et neutrons, particules non élémentaires communes, sont aussi des fermions. Bosons, à son tour, sont des particules avec des valeurs de spin entières. Ils comprennent les particules responsables des forces (photons, porteurs de la force électromagnétique; gluons, transportant la force nucléaire forte; bosons W et Z, transportant la force nucléaire faible), ainsi que le boson de Higgs.

"Les premières théories supersymétriques ont essayé de combiner les forces typiques des particules élémentaires, autrement dit la force électromagnétique de symétrie dite U(1), la force faible de symétrie SU(2) et la force forte de symétrie SU(3). La gravité manquait toujours, " dit le professeur Meissner. " La symétrie entre les bosons et les fermions était encore globale, ce qui signifie la même chose en tout point de l'espace. Peu de temps après, des théories ont été posées où la symétrie était locale, ce qui signifie qu'il pourrait se manifester différemment à chaque point de l'espace. Assurer une telle symétrie dans la théorie requise pour que la gravitation soit incluse, et de telles théories sont devenues connues sous le nom de supergravités."

Les physiciens ont remarqué que dans les théories de la supergravité en quatre dimensions spatio-temporelles, il ne peut pas y avoir plus de huit rotations supersymétriques différentes. Chacune de ces théories a un ensemble strictement défini de champs (degrés de liberté) avec des spins différents (0, 1/2, 1, 3/2 et 2), appelés respectivement champs de scalaires, fermions, bosons, gravitinos et gravitons. Pour la supergravité N=8, qui a le nombre maximal de rotations, il y a 48 fermions (de spin 1/2), qui est précisément le nombre de degrés de liberté requis pour rendre compte des six types de quarks et des six types de leptons observés dans la nature. Tout indiquait donc que la supergravité N=8 est exceptionnelle à bien des égards. Cependant, ce n'était pas idéal.

L'un des problèmes d'incorporation du modèle standard dans la supergravité N=8 a été posé par les charges électriques des quarks et des leptons. Toutes les charges se sont avérées décalées de 1/6 par rapport à celles observées dans la nature :l'électron avait une charge de -5/6 au lieu de -1, le neutrino avait 1/6 au lieu de 0, etc. Ce problème, observé pour la première fois par Murray Gell-Mann il y a plus de 30 ans, n'a été résolu qu'en 2015, lorsque les professeurs Meissner et Nicolai ont présenté le mécanisme respectif de modification de la symétrie U(1).

"Après avoir effectué cet ajustement, nous avons obtenu une structure avec les symétries U(1) et SU(3) connues du modèle standard. L'approche s'est avérée très différente de toutes les autres tentatives de généralisation des symétries du modèle standard. La motivation était renforcé par le fait que l'accélérateur LHC n'a rien produit au-delà du modèle standard et que la teneur en fermions de supergravité N=8 est compatible avec cette observation. Ce qui manquait était d'ajouter le groupe SU(2), responsable de la force nucléaire faible. Dans notre récent article, nous montrons comment cela peut être fait. Cela expliquerait pourquoi toutes les tentatives précédentes de détection de nouvelles particules, motivé par des théories qui traitaient la symétrie SU(2) comme spontanément violée pour les basses énergies, mais comme se tenant dans la gamme des hautes énergies, devait échouer. Dans notre vision, SU(2) n'est qu'une approximation pour les basses et hautes énergies, " explique le Pr Meissner.

A la fois le mécanisme conciliant les charges électriques des particules, et l'amélioration incorporant la force faible s'est avérée appartenir à un groupe de symétrie connu sous le nom de E10. Contrairement aux groupes de symétrie précédemment utilisés dans les théories de l'unification, E10 est un groupe infini, très mal étudié même au sens purement mathématique. Le Pr Nicolai avec Thibault Damour et Marc Henneaux avait déjà travaillé sur ce groupe, car il est apparu comme une symétrie en supergravité N=8 dans des conditions similaires à celles des premiers instants après le Big Bang, alors qu'une seule dimension était significative :le temps.

"Pour la première fois, nous avons un schéma qui anticipe précisément la composition des fermions dans le modèle standard - quarks et leptons - et le fait avec les charges électriques appropriées. En même temps, il inclut la gravité dans la description. C'est une énorme surprise que la symétrie appropriée soit le groupe de symétrie incroyablement énorme E10, pratiquement inconnu mathématiquement. Si d'autres travaux confirment le rôle de ce groupe, cela signifiera un changement radical dans notre connaissance des symétries de la nature, " dit le professeur Meissner.

Bien que la dynamique ne soit pas encore comprise, le schéma proposé par les professeurs Meissner et Nicolai fait des prédictions précises. Il conserve le nombre de fermions de spin 1/2 comme dans le modèle standard mais suggère en revanche l'existence de nouvelles particules aux propriétés très inhabituelles. Surtout, au moins certains d'entre eux pourraient être présents dans notre environnement immédiat, et leur détection devrait être à la portée des équipements de détection modernes. Mais c'est un sujet pour une histoire séparée.