Du quark à l’Univers, la physique d’un infini à l’autre

Quelle est la relation entre l’infiniment petit et l’infiniment grand ? Comment les briques de base de la matière s’assemblent pour former des étoiles, des galaxies ou des trous noirs ? » nous emmène au cœur d’une grande aventure scientifique suivie par une quarantaine de chercheurs. Ursula Bassler, la coordinatrice de ce livre, explique le problème.

Pourquoi traiter de l’infini et de l’infinitésimal dans un livre, qu’est-ce qui les relie ?
Ursule BaslerL’ambition d’un physicien est de créer une description cohérente de l’univers basée sur les lois de l’univers. Un lien entre la physique de l’infini et la physique des infinitésimaux s’établit naturellement. Notre objectif est de montrer comment les observations cosmologiques influencent la physique des particules et vice versa. Par exemple, le boson de Higgs, découvert en 2011, a joué un rôle clé dans les premiers instants de l’univers. On sait aussi qu’il y avait autant de matière que d’antimatière à l’époque du Big Bang. Mais nous sommes dans un univers fait de matière. Savoir ce qui est arrivé à l’antimatière est un problème qui préoccupe à la fois les cosmologistes et les physiciens des particules.

Autre exemple, l’univers est en expansion sous l’impulsion de l’énergie noire et est connu pour être structuré grâce à la présence de matière noire. Enfin, il y a toute une partie de la physique qui s’intéresse aux particules cosmiques. Les rayons cosmiques, les neutrinos cosmiques et les ondes gravitationnelles sont tous des messagers de phénomènes astrophysiques se produisant dans l’univers.

Comment s’est déroulé le processus d’écriture ?
UB Il s’agit d’un effort collaboratif basé sur les contributions de 40 chercheurs de l’Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3) ainsi que de l’Institut de Physique (INP) et de l’Institut National des Sciences Spatiales (Insu) du CNRS. Les scientifiques ont fait de grands efforts pour diffuser et étoffer leurs recherches. Le texte a ensuite été retravaillé pour fournir un contexte historique facile à lire pour les grandes découvertes. Une caractéristique de la recherche en sciences physiques est que la plupart d’entre elles sont menées dans le cadre de collaborations internationales à grande échelle. Ce livre a été écrit dans le même esprit collaboratif pour donner un large aperçu de la recherche à l’IN2P3.

Ce livre est riche en phénomènes physiques au-delà de notre expérience et de notre compréhension quotidiennes. Comment puis-je le rendre accessible au grand public ?
UB En fait, un vide n’est pas vide, il produit des particules, des neutrinos oscillants, de l’espace-temps oscillant, de l’antimatière qui peut “tomber” vers des altitudes plus élevées, et bien d’autres idées étranges. Ce sont des phénomènes physiques très éloignés de la vie quotidienne. Au-delà du texte, j’ai essayé d’expliquer ces concepts dans des infographies qui guident le lecteur et aident à former une image mentale de ces concepts. J’ai inclus de belles images.

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émerveillement sans fin Je m’intéresse aussi aux méthodes et aux outils qui ont mené aux grandes découvertes. Les histoires de deux infinis sont-elles aussi des histoires de méthode et d’ingéniosité du scientifique ?
UB En fait, il y a un échange constant entre la science et la technologie. Les avancées technologiques donnent accès à de nouvelles connaissances, tandis que les questions scientifiques conduisent au développement de nouvelles technologies. Il sera intéressant de voir jusqu’où nous sommes parvenus à obtenir les premières émulsions photographiques pour capturer les traces de particules et les grands détecteurs du LHC. A noter également que dans ces domaines les équipements sont conçus et développés en laboratoires avant d’être construits en collaboration avec le constructeur. Un autre aspect important est le traitement des données. La physique des particules produit une grande quantité de données, et jusqu’en 2014, la plupart des données circulant sur Internet étaient générées par le LHC.

Ursula Bassler au CERN 2018.

Les applications techniques dérivées de ces théories et expériences clés sont également discutées. Pourquoi ces questions devraient-elles également vous intéresser ?
UB La cosmologie et la physique des particules sont des sciences abstraites souvent considérées comme sans rapport avec la vie quotidienne. Nous avons voulu montrer que c’est l’inverse, et qu’il existe un lien entre l’infiniment abstrait et l’infiniment concret. Les méthodes et les résultats de ces recherches trouvent des applications dans l’imagerie médicale et les équipements d’imagerie de l’intérieur des volcans. Bien sûr, n’oublions pas la création du World Wide Web au CERN. Nous travaillons également sur les questions du nucléaire et de la radioactivité dans l’environnement. Il fait également partie de deux physiques infinies.

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L’un des grands sujets qui parcourent le livre est l’idée d’unir deux physiques infinies. Pensez-vous que nous approchons de ce moment charnière où nous pouvons réussir à combiner ces deux physiques en une seule grande théorie ?
UB Je ne suis pas sûr, mais l’une des motivations pour poursuivre ces recherches est la création d’une théorie de la gravité quantique qui combine la gravité qui agit à grande échelle avec la mécanique quantique qui décrit le monde microscopique. Pendant longtemps, la recherche expérimentale a été guidée par des prédictions théoriques. Je crois que l’expérimentation et l’observation montrent maintenant la voie. Ils signalent probablement des incohérences dans les modèles physiques actuels et donnent des indices sur la nouvelle physique.

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émerveillement sans finUrsula Bassler (directrice), CNRS Éditions, novembre 2022, 336 pages, 24 euros

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