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

Quels sont les liens entre l’infiniment petit et l’infiniment grand ? Comment les éléments constitutifs de la matière s’assemblent-ils pour former des étoiles, des galaxies ou des trous noirs ? Le livre qui vient de sortir “Amazing Infinity” nous emmène au coeur d’une grande aventure scientifique à la recherche de près de quarante explorateurs. Ursula Bassler, coordinatrice du livre, explique les enjeux.

Pourquoi recourir à l’infiniment grand et à l’infiniment petit dans le même livre ? Qu’est-ce qui les relie les uns aux autres ?
Ursule Bassler. L’ambition des physiciens est de créer une description cohérente de l’Univers basée sur des lois universelles. Le lien entre physique infiniment grand et infiniment petit est naturellement établi. Nous essayons de montrer comment les observations cosmologiques affectent la physique des particules et vice versa. Par exemple, le boson de Higgs, découvert en 2011, a joué un rôle fondamental dans les premiers instants de l’Univers. On sait aussi qu’il y avait autant de matière que d’antimatière lors du Big Bang. Or, nous sommes dans un Univers fait de matière. Savoir ce qu’il est advenu de l’antimatière est une question qui préoccupe à la fois les cosmologistes et les physiciens des particules.

Un autre exemple est que nous savons que l’Univers est en expansion avec une impulsion d’énergie noire et est structuré par la présence de matière noire. Actuellement, des physiciens infinitésimaux recherchent des manifestations particulaires de cette matière. Enfin, il existe toute une branche de la physique qui s’intéresse aux astroparticules. Les rayons cosmiques, les neutrinos cosmiques, les ondes gravitationnelles sont autant de messagers des phénomènes astrophysiques se produisant dans l’Univers.

Comment s’est déroulé le processus d’écriture ?
UB Il s’agit d’un ouvrage collectif basé sur les travaux d’une quarantaine de 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 de l’univers (Insu) du CNRS. . Les scientifiques ont déployé beaucoup d’efforts pour vulgariser et clarifier leurs recherches. Nous avons ensuite retravaillé les textes pour produire un récit facile à lire et fournissant un contexte historique pour la grande nouvelle. La recherche en sciences physiques se caractérise par le fait qu’elle se déroule souvent au sein de grandes collaborations internationales. Cet ouvrage est conçu dans le même esprit collaboratif pour donner un large aperçu des recherches de l’IN2P3.

Le livre est riche en phénomènes physiques au-delà de notre expérience et de notre compréhension quotidiennes. Comment les rendre accessibles au grand public ?
UB En effet, il existe de nombreuses idées étranges, comme un vide qui crée des particules vides mais, des neutrinos oscillants, un espace-temps oscillant ou de l’antimatière qui peut “tomber” vers le haut. Ce sont des phénomènes physiques très éloignés de la vie quotidienne. Au-delà du texte, nous avons essayé d’illustrer ces concepts avec des infographies qui guident le lecteur et l’aident à visualiser ces concepts. Nous avons inclus beaucoup de photos, de belles photos, parce que nous voulions que ce livre soit beau.

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Merveilles infinies s’intéresse également aux méthodes et aux outils qui ont permis de grandes découvertes. Les deux histoires à l’infini sont-elles des histoires d’outils et d’ingéniosité de scientifiques ?
UB En effet, il y a un échange perpétuel entre la science et la technologie. Les progrès technologiques permettent d’accéder à de nouvelles connaissances, et en même temps, les problèmes scientifiques stimulent le développement de nouvelles technologies. Il est fascinant de voir le chemin parcouru depuis les premières émulsions photographiques capturant les traces de particules et les détecteurs massifs du LHC. Il convient également de noter que les instruments de ces disciplines sont conçus et développés dans des laboratoires avant d’être assemblés avec des fabricants. Un autre aspect important est le traitement des données. La physique des particules produit des quantités massives de données. Ainsi, jusqu’en 2014, la plupart des données circulant sur Internet étaient produites par le LHC.

Ursula Bassler au CERN en 2018.

Les applications technologiques découlant de ces théories et expériences de base sont également discutées. Pourquoi s’intéresser à ces questions ?
UB La cosmologie et la physique des particules sont souvent considérées comme des sciences abstraites 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 sont utilisés en imagerie médicale, par exemple dans des outils qui représentent l’intérieur d’un volcan. Bien sûr, la création du World Wide Web au CERN n’est pas oubliée. Nous considérons également l’énergie nucléaire et la radioactivité dans l’environnement. Cela fait également partie de la physique des deux infinis.

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L’un des grands thèmes de ce livre est l’idée de combiner deux physiques infinies. Pensez-vous que nous sommes proches d’un point de basculement où nous pouvons unifier ces deux physiques en une seule grande théorie ?
UB Je n’en ai aucune idée, mais une des motivations pour poursuivre ces recherches est de construire une théorie de la gravité quantique qui permette d’unifier la gravité agissant à grande échelle et la mécanique quantique, qui décrit le monde microscopique. Pendant longtemps, les études expérimentales ont été guidées par des hypothèses théoriques. À ce stade, je crois que l’expérience et l’observation doivent guider la voie. Ce sont eux qui pointent les incohérences des modèles physiques actuels et nous fournissent ainsi des indices sur la nouvelle physique.

En lisant
Merveilles infiniesUrsula Bassler (dir.), CNRS Éditions, novembre 2022, 336 p., 24 €

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