En théorie : Qui de l’œuf ou de la poule ?

« Nous avons besoin de parler le même langage entre les expériences et de parler le même langage avec les théoriciens », explique Chiara Mariotti, expérimentatrice de l’expérience CMS.

En un siècle, la physique fondamentale  a changé d’échelle d’étude et d’échelle de fonctionnement. Pour repousser les limites des connaissances sur l’infiniment petit, les physiciens ont utilisé des outils de plus en plus sophistiqués, ont formé des collaborations de plus en plus grandes. Le savant d’antan, passant de son tableau noir à son petit labo, a laissé place à une myriade de physiciens spécialisés. Les théoriciens ne sont plus des expérimentateurs, et inversement.

« Il y a 100 ans, on ne parlait pas de cette distinction entre théoriciens et expérimentateurs. Enrico Fermi était un théoricien de génie et un expérimentateur extraordinaire, observe Christophe Grojean, théoricien au laboratoire DESY qui travaille en collaboration avec les expérimentateurs du Grand collisionneur de hadrons LHC. Aujourd’hui, il y a un tel niveau technologique du côté expérimental, et un tel bagage mathématique du côté théorique, qu’il est quasiment impossible pour une même personne de tout couvrir. » 

La population physicienne forme désormais un continuum depuis le théoricien focalisé sur des travaux éloignés de toute observation expérimentale jusqu’aux  expérimentateurs développant les composants des expériences. Au milieu de ce spectre de spécialités, des théoriciens et des expérimentateurs travaillent en étroite collaboration. 

« Je suis intéressé par les théories de physique au-delà du Modèle standard qui peuvent être testées. Si j’ai une idée, je souhaite qu’elle puisse servir à interpréter des données. Je n’aime pas spéculer juste pour spéculer», explique John Ellis, du Kings College, à Londres, qui travaille au CERN depuis 1973.

Qui du théoricien ou de l’expérimentateur ?

Mais savants d’antan ou physiciens d’aujourd’hui se nourrissent toujours de la même graine. C’est la perspective d’un résultat, ou mieux, d’une découverte, qui les fait avancer. Sauf que le processus est maintenant partagé entre deux grandes communautés, théoriciens et expérimentateurs. A qui revient l’initiative ?  Est-ce grâce aux prédictions théoriques que les expérimentateurs font des découvertes, ou bien grâce aux données expérimentales que les théoriciens font progresser les modèles ?

« C’est un peu la question de l’œuf et de la poule », sourit Christophe Grojean. Ni les théoriciens, ni les expérimentateurs ne prétendent être l’œuf ou la poule (si tant est qu’on sache qui est venu en premier !). Les uns avancent en s’appuyant sur les connaissances des autres et vice-versa.

« Dans l’idéal, l’expérimentateur voudrait comprendre la Nature rien qu’en l’observant. Mais il a besoin de l’apport de la théorie pour interpréter ce qu’il voit, explique Michelangelo Mangano, théoricien du CERN. De son côté, le théoricien voudrait tout expliquer sans l’aide des expériences, rien qu’en trouvant la théorie qui s’imposerait d’elle même parce que, tout simplement, la Nature ne pourrait pas fonctionner autrement. En réalité, c’est bien plus compliqué, il y a toujours plus d’une possibilité et l’Univers a évolué en empruntant l’une des multiples voies possibles. C’est pourquoi les théoriciens ont aussi besoin des données expérimentales pour les guider. »

« Si on veut comprendre ce que l’on mesure, on a besoin d’un cadre théorique, renchérit Chiara Mariotti, physicienne expérimentatrice de l’expérience CMS sur le LHC. Même si l’on découvre quelque chose que les théoriciens n’ont jamais prédit, c’est important de comprendre le schéma dans lequel ce résultat s’inscrit, d’avoir une vision plus globale qu’apportent les théoriciens. »

Frénésie d’interprétations

Ainsi, la science avance grâce à une stimulation permanente entre théoriciens et expérimentateurs. Les recherches au LHC illustrent parfaitement ce va-et-vient. Les expérimentateurs sont partis à la chasse au boson de Higgs sur les indications des théoriciens. Mais, désormais, les théoriciens attendent les données du LHC pour leur indiquer la direction à emprunter (cette question sera expliquée dans le prochain épisode de notre série). Aussi, dès que les expériences frémissent, affichant des signaux même faibles, les interprétations théoriques pleuvent. Le 15 décembre, les expériences ATLAS et CMS dévoilaient leurs résultats de la deuxième période d’exploitation du LHC. Un signal inattendu (mais encore faible) était apparu. Dès le lendemain, une dizaine d’articles d’interprétations théoriques étaient déjà postés sur le site de publications scientifiques arXiv. Début avril, on en comptait 312 ! 

« Cela fait 40 ans que le Modèle standard a été formulé. Depuis, des dizaines de modèles ont émergé pour aller au-delà, mais aucun ne s’est imposé de lui même. La réponse viendra inévitablement des expériences », observe Michelangelo Mangano. D’où la fébrilité des théoriciens qui scrutent les résultats expérimentaux et l’avalanche d’interprétations qui frise l’empressement.

Toutefois, théoriciens et expérimentateurs ne se contentent pas de s’observer en voisins jaloux d’une fête qui se préparerait chez l’autre. Ils enjambent parfois la palissade et se joignent aux préparatifs. Au CERN, où quelques couloirs les séparent, la coopération fonctionne à plein. Michelangelo Mangano est de ceux qui promeuvent et organisent le dialogue. Au démarrage du LHC, il a fondé le Centre de physique LHC au CERN (LPCC, LHC Physics Centre at CERN), structure au travers de laquelle expérimentateurs et théoriciens collaborent. « L’un de mes rôles principaux est de faciliter l’interaction entre théorie et expériences », explique-t-il.

In Theory, Personalities and History of CERN

« Les théoriciens et les expérimentateurs sont complémentaires. Ils ont une approche différente de la compréhension », explique Michelangelo Mangano, théoricien du CERN qui contribue à organiser la coopération entre théoriciens et expérimentateurs au LHC. (Image: CERN)

Le groupe de travail sur la section efficace du boson de Higgs au LHC est l’une des plateformes d’échanges entre théoriciens et expérimentateurs. Ce groupe, fondé en 2010, avait pour objectif initial de proposer des prédictions communes pour la découverte d’un hypothétique boson de Higgs.

« Nous voulions nous préparer à la découverte du boson de Higgs. Il fallait que les expériences utilisent les mêmes prédictions théoriques, les mêmes critères d’analyse, raconte Chiara Mariotti, l’une des fondatrices du groupe. Ainsi, dès que les expériences ont vu un signal, elles pouvaient plus facilement comparer leurs données et vérifier qu’il y avait bien une découverte. » 

Personalities and History of CERN
Chiara Mariotti, expérimentatrice de l’expérience CMS sur le LHC, et Christophe Grojean, théoricien au Laboratoire DESY, sont deux des coordinateurs du groupe de travail sur la section efficace du boson de Higgs au LHC. Théoriciens et expérimentateurs y collaborent pour définir des prédictions théoriques communes sur lesquelles se baseront les analyses des données des expériences.(Image : CERN)

C’est ainsi que, le 4 juillet 2012, les deux expériences ATLAS et CMS ont très rapidement convergé vers la même conclusion.  Bien sûr, elles avaient toutes deux un signal, mais elles s’appuyaient également sur des critères définis avec les théoriciens.

« Cette coopération a permis de nous focaliser sur les points essentiels au lieu de perdre du temps à comparer les méthodes. C’était un accélérateur de découverte », explique Christophe Grojean, l’un des coordinateurs actuels du groupe. Le groupe qui comptait une cinquantaine de théoriciens et expérimentateurs au départ s’est élargi. Quelque 100 à 200 physiciens y participent activement et les sujets d’analyse se sont diversifiés, allant des mesures de précisions du Boson de Higgs aux recherches au-delà du Modèle standard. 

Si elle est essentielle, la collaboration entre les deux populations de physiciens n’est pas toujours simple. D’abord parce que la sociologie des grandes collaborations expérimentales et celle des petits groupes de théoriciens est bien différente.

« Le travail théorique est finalement plus solitaire que le travail expérimental qui englobe de très grosses collaborations avec d’inévitables contraintes. Les théoriciens sont beaucoup plus libres, leur travail leur appartient. Le travail d’un expérimentateur est celui d’une grande équipe », observe Christophe Grojean.

Dans les grandes collaborations expérimentales, la confidentialité est de mise. Pas question de laisser filtrer des résultats non approuvés. Du coup, les théoriciens ne travaillent que sur les données déjà publiées des expériences. A moins que, pour les besoins d’une analyse, l’expérience ne fasse appel à des théoriciens qui seront priés de garder la confidentialité. Ils peuvent alors signer l’analyse spécifique avec la collaboration. 

Rester libre

Quand on demande aux théoriciens s’ils auraient aimé embrasser la carrière d’expérimentateur, ils répondent par la négative. « J’apprécie de travailler en étroite coopération avec les expérimentateurs, mais je suis heureux de pouvoir conserver mon autonomie en tant que théoricien », souligne Michelangelo Mangano. Les théoriciens sont jaloux de leur liberté. Dans les grandes collaborations expérimentales, la liberté d’initiative n’est pas toujours évidente. Les théoriciens sont conscients de leur privilège.

« Si les résultats ne sont pas satisfaisants dans un domaine théorique, je peux toujours changer. Je pourrai toujours tirer beaucoup de satisfaction de mes idées dans un autre domaine, explique Slava Rychkov, théoricien au CERN. Pour un expérimentateur, c’est plus compliqué. Il peut avoir passé beaucoup de temps à construire une expérience complexe. Si aucun résultat n’en sort, c’est une perte importante. »

Selon lui, les théoriciens devraient être plus conscients de leur responsabilité lorsqu’ils indiquent une direction de recherche aux expérimentateurs.

Les relations entre théoriciens et expérimentateurs se compliquent encore lorsqu’il y a une découverte. A qui l’attribuer ? Au théoricien qui a prédit le phénomène ? A l’expérimentateur qui l’a mis en évidence ? Certainement aux deux, mais les jurys ne sont pas toujours magnanimes.

Alvaro de Rújula, physicien émérite du département théorie du CERN, avait ironisé sur cette compétition inavouée il y a quelques années dans un article sur les relations entre théoriciens et expérimentateurs.  « La relation entre théoriciens et expérimentateurs est souvent une saine compétition dans la quête de la vérité, mais aussi une compétition moins avouable pour la gloire », expliquait-il, en illustrant son propos en comparant le théoricien, l’expérimentateur et la découverte avec un fermier, son cochon et une truffe.

Quelles sont les similitudes et les différences entre les deux dessins suivants ?

A farmer, His pig and trufflesA theorist, an experimentalist and the big discoveries
Le fermier emmène son cochon dans les bois. Le cochon flaire les alentours à la recherche d'une truffe. Dès que le cochon en repère une et s'apprête à la manger, le fermier lui frappe la tête à l'aide de son bâton et s'empare de la truffe. Voilà les similitudes : un théoricien revendiquerait aussi une découverte, faite par un expérimentateur (si elle a une quelconque parenté avec ses théories), même s’il n’en est pas l’auteur ! La différence est que le fermier mène son cochon dans des bois où il y a effectivement des truffes, alors que, dans la majorité des cas, les suggestions faites par les théoriciens conduisent les expérimentateurs vers des « bois » dépourvus de « truffes » (en suggérant des expériences qui ne mènent à aucune découverte intéressante). Pour ne pas être injuste envers les théoriciens, il faut cependant ajouter qu'il y a des exceptions notables à ces règles, que le progrès se fait à travers des essais et des erreurs, et que les conseils des théoriciens montrent parfois la bonne direction ! Et encore plus souvent, alors qu'ils sont à la recherche des « truffes » des théoriciens, les expérimentateurs découvrent de « l'or » : quelque chose d'imprévu mais d’encore plus intéressant ! (la Nature a tendance à être plus créative que nous)(Image : Alvaro de Rújula/ CERN)

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