Depuis des décennies, la physique des particules a été le domaine des collisionneurs massifs qui fouettent les particules à grande vitesse et les écrasent les unes contre les autres pendant que des équipes de milliers de personnes observent les résultats. Ces types d'expériences ont permis de mieux comprendre les forces et les particules qui composent le monde physique.

Mais le physicien de Stanford, Peter Graham, préconise une approche très différente – une approche qui pourrait être plus rapide et moins chère que les collisionneurs massifs, et cela peut être capable de détecter des formes de physique auparavant insaisissables comme la matière noire.

Graham a souligné que les collisionneurs coûtent des dizaines de milliards de dollars et sont si rares qu'il pourrait n'y avoir qu'un seul nouveau collisionneur construit au cours de sa vie. Son approche évoque une époque où la physique pouvait être effectuée sur une table par une ou deux personnes et produire des résultats en quelques années seulement.

"Cela revient à cela d'une certaine manière, mais en utilisant des types de technologies très différents et des approches différentes, " dit Graham, qui est professeur adjoint de physique. "C'est une nouvelle direction pour rechercher les lois les plus fondamentales de la nature."

Graham, qui est également un collaborateur de la division de physique des particules élémentaires du SLAC National Accelerator Laboratory, a récemment reçu un prix Breakthrough New Horizons in Physics pour sa mise en scène, auquel il espère que plus de gens se joindront. Il a expliqué à Stanford Report pourquoi la physique a besoin de nouveaux types d'expériences, ce que la matière noire pourrait être et comment il espère la détecter.

Vous avez dit que vos expériences explorent une nouvelle physique. Qu'est-ce que ça veut dire?

Le modèle standard de la physique des particules est tout ce que nous avons découvert. Cela explique presque toutes les expériences jamais réalisées sur des échelles gigantesques, des noyaux aux galaxies. Il y a vraiment très peu de choses qu'il n'explique pas, que nous appelons la nouvelle physique. Nous savons qu'il y a des choses là-bas au-delà de ce que nous avons vu, comme la matière noire, et de nouvelles lois fondamentales. Ce sont les choses que nous essayons de découvrir.

La matière noire est une forme de nouvelle physique que vous pourrez peut-être détecter. Pouvez-vous expliquer ce qu'est la matière noire et pourquoi les physiciens croient qu'elle existe ?

Initialement, les gens ont réalisé qu'il y a beaucoup plus de gravité attirant les galaxies qu'ils ne pouvaient en expliquer. Soit les lois de la gravité étaient fausses, ce qui était possible, ou il y avait quelque chose d'autre que nous ne savons pas sur le fait de tirer sur les galaxies. Dans les deux cas, vous ne pouvez pas l'expliquer avec ce que nous savons.

Il y a maintenant beaucoup de preuves que notre compréhension de la gravité n'est pas fausse, et à la place, il y a un nouveau genre de choses que les physiciens ont nommé matière noire. Cela a été un objectif majeur de la physique de comprendre la matière noire et de proposer de nouveaux types d'expériences pour essayer de la détecter. Mais vous devez avoir quelques hypothèses sur ce que cela pourrait être si vous voulez le trouver. C'est un point universel en science que vous devez avoir une idée de ce que vous recherchez afin de savoir comment s'y prendre pour le rechercher.

Quelles sont certaines des théories sur ce que pourrait être la matière noire ?

Il y a beaucoup de preuves pour deux candidats, appelés WIMPs et axions. Vous pouvez rechercher des WIMP [particules massives à interaction faible] avec des techniques plus traditionnelles, comme les collisionneurs géants, et cela a attiré beaucoup d'attention.

Il n'y avait qu'une seule expérience à la recherche d'axions et elle n'a examiné qu'une partie du spectre d'axions possible. C'était un scénario effrayant que les axions puissent être la matière noire et qu'il n'y ait aucun moyen de les détecter. Les axions sont très difficiles à rechercher car ils interagissent peu avec nos expériences.

La matière noire pourrait aussi être un nouveau type de particules folles, ou une combinaison de WIMPs et d'axions, ou même des collections de trous noirs. Nous ne savons pas.

Qu'est-ce qui vous a motivé à réfléchir à d'autres façons d'explorer la nouvelle physique ?

Une partie de la motivation est que les grands collisionneurs sont importants mais qu'ils deviennent également coûteux à construire. En outre, nous réalisons que certaines nouvelles théories sur la matière noire ne pourraient vraiment pas être découvertes dans les collisionneurs.

Mon travail a consisté à prendre des techniques d'autres domaines de la physique et à les utiliser en physique des particules. Le Breakthrough Prize est vraiment sympa car il apporte un sceau d'approbation et pourrait vraiment nous aider à lancer cette nouvelle direction expérimentale.

Pouvez-vous me donner un exemple d'un type d'expérience que vous avez conçu ?

Les gens avaient pensé à une approche pour détecter la matière noire des axions et cela a fait du bon travail pour les axions de masse plus élevée, mais ne pouvait pas voir des axions de masse inférieure. Nous avons mis au point une nouvelle technique pour détecter les axions de faible masse. Il s'agissait de combiner la RMN [résonance magnétique nucléaire], qui est couramment utilisé dans les applications médicales, et magnétométrie, qui est un outil très précis pour mesurer les champs magnétiques. Nous utilisons la RMN pour amplifier le signal de l'axion afin que le magnétomètre puisse le capter.

Nous avons déjà commencé à construire cette expérience, et il pourrait générer des résultats dans quelques années. C'est très excitant parce que ce genre d'expériences peut produire des résultats sur de courtes échelles de temps.

Pourquoi est-il important d'explorer ces nouvelles frontières de la physique ?

L'humanité a toujours regardé les étoiles et s'est demandé pourquoi nous sommes ici. Ce genre de questions, comme la nature de la matière noire, raconte-nous la naissance de l'univers, pourquoi l'univers entier est ici.

Mais une partie de cela pour moi, c'est aussi que je veux apporter une contribution. Un exemple de la façon dont la physique fondamentale aide les gens vient de la mécanique quantique. Je suis sûr qu'à l'époque, ils pensaient que c'était un exercice de pure physique et qu'il n'avait aucun rapport avec la santé humaine. Bien, nous avons appris la mécanique quantique et maintenant nous avons des appareils d'IRM et des scanners PET. Je dirais que c'est une leçon vraiment importante. Les humains sont créatifs et nous trouvons des moyens d'utiliser les nouvelles informations.