En Théorie : La physique théorique est-elle en crise ?

«La façon dont la physique progresse est souvent bien moins logique que les théories qui en résultent. On ne peut pas planifier une découverte. Surtout en physique théorique.» Gian Giudice, chef du département Théorie du CERN. (Image : S. Bennett/CERN)

Au cours des 10 dernières années, les physiciens ont exploré de nouveaux aspects de notre Univers et, ce faisant, ils ont répondu à quelques-unes des grandes questions du siècle passé.

La découverte du boson de Higgs en 2012 a représenté une immense réussite pour les chercheurs.  Elle a prouvé que les théoriciens avaient eu raison de chercher des réponses relatives à notre Univers dans le cadre du Modèle standard.  L’ennui, c’est que la particule se comportait exactement comme les théoriciens l'avaient annoncé et qu'elle se conformait à toutes les règles qu'ils avaient prédites. Un comportement légèrement différent aurait suscité de nombreuses questions à propos de la théorie et de notre Univers.  Au lieu de cela, aucun élément nouveau susceptible d’orienter nos recherches n’est apparu.

En d’autres termes, les théoriciens avaient fait du trop bon travail. 

« Nous avons du mal à trouver des indices qui nous montreraient clairement la voie à suivre.  Pour certains, c’est là une source de frustration.  Je trouve au contraire la situation très stimulante parce que c'est toujours dans les moments de crise que surgissent de nouvelles idées. »   – Gian Giudice,  head of the Theory Department at CERN.

Avant ces découvertes, on pourrait dire métaphoriquement que les physiciens, encore ancrés en quelque sorte sur une Terre plate, soupçonnaient déjà que la Terre était ronde sans en avoir la certitude.  Avec la découverte du boson de Higgs et la confirmation de l'existence des ondes gravitationnelles, les scientifiques sont plus que jamais à même de comprendre deux des plus importantes théories de notre temps : le Modèle standard et la théorie de la relativité.

L'avenir de la physique théorique se trouve aujourd'hui à un point critique : maintenant que les physiciens ont prouvé leurs propres théories, que leur reste-t-il à faire ? 

Et ensuite ?

« Prendre des données inexpliquées et essayer de les concilier avec les idées que l'on a de l'Univers […], voilà l'esprit de la physique théorique. » – Gian Giudice

Dans un article précédent de notre série, nous avons parlé de la nécessité pour les expérimentateurs et les théoriciens de collaborer.  Les théoriciens indiquent aux expérimentateurs dans quelle direction ils doivent chercher, et les expérimentateurs demandent aux théoriciens d'expliquer des découvertes insolites. Une telle relation symbiotique est nécessaire si l'on veut continuer à faire des découvertes.

Il y a quatre ans à peine, en 2012, les physiciens nourrissaient de véritables doutes quant à l'existence du boson de Higgs, clé de voûte du Modèle standard.  À présent, il y a beaucoup moins d'incertitude.

« Nous nous trouvons toujours dans une période incertaine. Avant nous ne savions pas comment compléter le Modèle standard. Maintenant qu'il est presque complet, nous pouvons nous concentrer sur des questions qui vont au-delà du Modèle standard, comme la matière noire, le futur de l'Univers ou son commencement, des bricoles en somme », sourit John Ellis, physicien théoricien du King's College, à Londres, qui travaille au CERN depuis 1973.

In Theory,Personalities and History of CERN
Michelangelo Mangano est parti aux États-Unis travailler à l'Université de Princeton juste au moment où la théorie des cordes a commencé à être en vogue. « La première vague d'intérêt est toujours suivie par une période de ralentissement parce que toutes les questions faciles ont déjà été résolues. Ne restent que les questions les plus complexes avec lesquelles vous vous débattez, C'est ce à quoi les jeunes théoriciens sont confrontés aujourd'hui lorsqu'ils essaient de faire bouger un domaine comme le Modèle standard. Des découvertes insolites issues du LHC pourraient raviver l’enthousiasme et donner l'impression aux jeunes chercheurs qu'ils peuvent, eux aussi, avoir un impact. » (Image: Maximillien Brice/CERN)

Avec la découverte du boson de Higgs, la relation a changé, ce ne sont plus forcément les théoriciens qui montrent le chemin.  Au contraire, les expériences servent à rechercher des données pour essayer d'étayer plus solidement les théories existantes et si quelque chose de nouveau est observé, les théoriciens se bousculent pour l'expliquer.

« C'est comme pour la cueillette des champignons, explique Michelangelo Mangano, un théoricien qui travaille en étroite collaboration avec les expérimentateurs. Vous dépensez toute votre énergie à chercher, et à la fin de la journée, il arrive que vous n'ayez rien trouvé.  C'est la même chose ici. On gaspille beaucoup d'énergie pour de maigres résultats, mais en explorant tous les recoins, on tombe parfois sur une pépite, le champignon parfait. »

À la fin de l'année dernière, les expériences ATLAS et CMS au CERN ont trouvé leur « champignon », c'est-à-dire une curieuse, bien que minime, anomalie dans les données.

Cette petite irrégularité inattendue pourrait ouvrir la porte à une toute nouvelle physique, parce qu'il pourrait s'agir d'une particule inconnue.  Après la découverte du boson de Higgs, la plupart des lacunes du Modèle standard avaient été comblées, mais de nombreux physiciens espéraient trouver de nouvelles anomalies.

 

Dans le cadre de notre série "En théorie", nous vous invitons à explorer un bureau célèbre au CERN, celui du théoricien John Ellis. Cliquez et faites glisser pour en découvrir les recoins. ( (Image: Maximillien Brice/ CERN)

 

« L'avenir dépend en grande partie de ce que l'on dénichera au cours de la deuxième période d'exploitation du LHC, explique John Ellis.  

Bien que l’anomalie soit trop petite pour que les physiciens en confirment l'existence, les théoriciens ont sauté sur l'occasion et publié des centaines d'articles pour essayer de l'expliquer.

« Prendre des données inexpliquées, essayer de les faire correspondre à l'idée que vous avez de l'Univers, la réviser sur la base de nouvelles données, et ainsi de suite jusqu'à ce que vous réussissiez à retracer toute l'histoire de l'Univers, voilà l'esprit de la physique théorique », confie Gian Giudice.

Personalities and History of CERN
John Ellis se définit comme un « optimiste de la science », prêt à utiliser tous les instruments qui s'offrent à lui pour essayer de trouver des réponses à ses questions. « Je suis optimiste par nature. Je m’attends à tout, oui, même à ce que nous ne découvrions rien d'autre au-delà du boson de Higgs. Mais l’avenir nous le dira », explique John Ellis, interviewé par Harriet Jarlett (à gauche) dans son bureau au CERN. (Image:Sophia Bennett/CERN)

Mais il faut attendre la nouvelle collecte de données du LHC, qui a redémarré ce mois-ci (mai 2016), pour que les expérimentateurs puissent établir ce que représente cette anomalie.

 

La théorie pour la nouvelle génération

Cette période d'accalmie inhabituelle dans le monde de la physique théorique signifie que les étudiants en physique se tourneront probablement davantage vers la physique expérimentale, domaine où l'on fait plus souvent de grandes découvertes et qui donne donc plus facilement la possibilité à des jeunes scientifiques de se distinguer..

En discutant avec des étudiants d'été du CERN, dont certains espèrent devenir des théoriciens, on a l'impression qu'en cette période d'incertitude la voie de la théorie est un luxe que ne peuvent se permettre de suivre les jeunes scientifiques, auxquels on réclame des idées originales et des articles pour pouvoir progresser.

Personalities and History of CERN
Camille Bonvin est boursière au département Théorie. Ses recherches en cosmologie portent sur la question de l’accélération de l’expansion de l'Univers. D'après la description de la gravité dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, l'expansion de l'Univers devrait se ralentir et non s'accélérer. Il y a donc quelque chose que nous ne comprenons pas et c'est ce que Camille Bonvin essaie de découvrir. Elle est convaincue que les meilleures théories sont simples, cohérentes et logiques, comme celle de la relativité générale. « Einstein est incroyablement logique, tout comme sa théorie. Parfois on a l'impression de prendre une théorie existante et de lui ajouter un élément, puis un autre, et un autre encore pour essayer de mieux la faire coller aux données. Mais cela ne donne pas une théorie fondamentale, et pour moi le résultat n’est pas très beau ». (Image: Sophia Bennett/CERN)

Camille Bonvin, une jeune théoricienne du CERN, espère que l'anomalie observée dans les données ouvrira la porte vers une nouvelle physique car, sans nouvelles découvertes, il est difficile de motiver la jeune génération : « Si ni le LHC ni les études cosmologiques à venir ne permettent d’accéder à une nouvelle physique, il sera difficile de motiver des théoriciens. En effet, si vous ne savez pas quelle direction suivre ni ce que vous devez chercher, il devient difficile de décider de l’orientation de vos recherches et des idées qui méritent d’être explorées. »

 

L’avenir s'annonce prometteur

Selon le mot de Richard Feynman, l'un des théoriciens les plus célèbres  :  « Faire de la physique c'est comme faire l'amour : certes, cela donne parfois des résultats pratiques, mais ce n'est pas cela qui nous motive. »

Et Gian Giudice est tout à fait d'accord. Si, en cette période d'incertitude il est plus difficile pour les jeunes de percer, ce n'est pas la promesse de la gloire qui pousse certains à suivre la voie de la théorie, mais simplement la passion pour notre Univers et ses mystères.

« Cela doit être difficile pour la jeune génération de chercheurs de choisir la voie de la physique théorique en ce moment, quand on ne sait pas où conduisent les différentes directions, confie-t-il. Mais un jeu ouvert et évolutif est beaucoup plus intéressant qu'un jeu où tout a été fixé d’avance.»

Personalities and History of CERN
« Un jeu ouvert et évolutif est beaucoup plus intéressant qu'un jeu où tout a été fixé d’avance », affirme Gian Giudice, qui a été nommé chef du département Théorie cette année. (Image: Sophia Bennett/CERN)

Gian Giudice, qui a pris la tête du département Théorie en janvier 2016, reste optimiste quant à la crise que traverse la discipline. Il est d'ailleurs persuadé que c'est un moment exceptionnel pour devenir un physicien théoricien.

« On dit souvent que la prévision est un art difficile, surtout quand elle porte sur l'avenir. Rien ne pourrait être plus vrai aujourd'hui en ce qui concerne la physique des particules. C'est ce qui rend la période présente si intéressante. Lorsqu'on se penche sur l'histoire de la physique, on constate que les phases de crise et de confusion ont toutes été suivies par l’apparition d’idées révolutionnaires.  Espérons que cela sera à nouveau le cas », conclut-il.

Pour en savoir plus sur les théories et les théoriciens au CERN, relisez tous les articles de la série.