vendredi 18 avril 2014

L'inflation cosmologique : un amplificateur de rêve (pour détecter un graviton) quantique ?


Les électrons en chute libre rêvent-ils de gravité quantique? (3)



L'homme ne pourra (vraisemblablement) jamais détecter un graviton unique


Voici une conférence de Freeman Dyson qui porte précisément sur la possibilité de détecter un graviton, autrement dit un quantum de champ gravitationnel (et non sur la question de savoir s'il existe une théorique quantique renormalisable de la gravitation). Il y expose précisément les points suivant selon ses propres mots:


I can prove that detectors with the LIGO design, detecting gravitational waves by measuring their effects on the distance between two mirrors, cannot detect single gravitons. To reduce quantum fluctuations in the measurement of distance, the mirrors must be heavy. To make the quantum noise small enough to observe the signal from a single graviton, the mirrors must be so heavy that they collapse together into a black hole. The laws of general relativity and quantum mechanics conspire to make the measurement impossible. 




Freeman Dyson : Is a graviton detectable?  08/2013



La conjecture pessimiste de Dyson sur l'impossibilité de détecter un graviton est plus ancienne puisqu'elle remonte à 2004 au moins. Pour saisir la subtilité des problèmes physiques impliqués on peut lire cet article de Tony Rothman et Stephen Boughn qui confirme les idées de Dyson :



... we can say that to detect a single graviton was a priori going to be a difficult proposition, but it was not obvious that it was fundamentally impossible. Although, as we stated at the outset, we have found no basic principle ruling out graviton detection, reasonable physics appears to do so. Perhaps the most interesting aspect of the investigation is that it leads to some fairly subtle physics, which ... has caused significant confusion in the literature. Certainly, if a “no graviton” law appears elusive, we do feel entitled to predict that no one will ever detect one in our universe.



Tony Rothman et Stephen Boughn, Can Gravtion Be Detected ? 2006



On peut aussi découvrir l'argumentation technique de Dyson dans le texte, par exemple dans un compte-rendu de 2012 qui souligne bien les enjeux de sa problématique :



One hypothesis is that gravity is a quantum field and gravitons exist. A second hypothesis is that the gravitational field is a statistical concept like entropy or temperature, only de fined for gravitational effects of matter in bulk and not for effects of individual elementary particles. If the second hypothesis is true, then the gravitational field is not a local field like the electromagnetic field. The second hypothesis implies that the gravitational field at a point in space-time does not exist, either as a classical or as a quantum field.


Now I assert that both of the two hypotheses may or may not be experimentally testable. Analysis of the properties of graviton-detectors, following the methods of this paper, might be able to throw light on both hypotheses. Three outcomes are logically possible. If a graviton detector is possible and succeeds in detecting gravitons, then the rst hypothesis is true and the second is false. If a graviton detector is possible and fails to detect gravitons, then the rst hypothesis is false and the second is open. If a graviton detector is in principle impossible, then both hypotheses remain open. Even if their existence is not experimentally testable, gravitons may still exist.



Freeman Dyson, Is a Graviton Detectable? 06/08/2012



Heureusement, dans un lointain passé, la nature a (peut-être) fabriqué un amplificateur cosmique  


Si le graviton quantique échappe aux outils du physicien peut-être peut-il le saisir par des idées ? C'est en l'occurrence la proposition audacieuse de Lawrence M. Krauss et Franck Wilczek à travers deux courts articles dont le dernier est d'autant plus intéressant qu'il propose d'étayer son argumentation sur un résultat expérimental récent, celui de BICEP2 :


 Freeman Dyson has emphasized that no conventional experiment is capable of detecting individual gravitons. However, as we describe, if inflation occurred, the Universe, by acting as an ideal graviton amplifier, affords such access. It produces a classical signal, in the form of macroscopic gravitational waves, in response to spontaneous (not induced) emission of gravitons. Thus recent BICEP2 observations of polarization in the cosmic microwave background will, if confirmed, provide firm empirical evidence for the quantization of gravity


Lawrence M. KraussFrank WilczekFrom B Modes to Quantum Gravity and Unification of Forces, 04/2014





... cosmology provides a realistic observable that is directly tied to the quantization of gravity. Specifically, observation of a cosmological gravitational wave background associated with an inflationary phase would provide, as a bonus, compelling evidence for the quantization of the gravitational field. It does so in a way which is at least heuristically equivalent to all laboratory experiments that probe quantum phenomena–it


couples quantum mechanical phenomena to a classical detector, effectively amplifying quantum mechanical ffects so that they are classically measurable. The classical detector, in this case, is the expanding Universe.


The fact that quantization associated with gravity appears to be an essential feature of a gravitational wave background generated by inflation can be understood as follows: A period of inflation in the early universe results from a period of quasi-de Sitter expansion associated with a scalar field in an almost flat potential. If one considers a quantized approximately massless scalar field in de-Sitter space, expanded into Fourier components with quantized mode functions ... then it is straightforward to calculate the zero-point quantum fluctuations of these mode functions...


... if one treats these Fourier modes as quantum modes then there will be zero-point fluctuations in each of the two modes that can be directly derived from equation ... Once these modes leave the horizon during the Inflationary expansion, they freeze in, effectively amplifying the mode number while outside the horizon, and they return inside the horizon as a coherent superposition of many quanta, e.g. as a classical wave. These waves, originating as quantum fluctuations, then have a dimensionless power spectrum at the horizon ... The fact that this calculation relies on gravitational modes originating as quantum fluctuations strongly suggests that the effect is essentially quantum-mechanical, but that conclusion is not logically forced. After all, many – in principle, all! – classical effects can also be calculated quantum mechanically, and sometimes that approach is simpler or more direct....


Through inflation, the Universe can act effectively as a graviton detector built on an “impractical scale”. It amplifies a quantum mechanical effect to where it can be detected as a classical, observable signal, and may provide compelling empirical support for the quantization of gravity. Thus we both illustrate and transcend, rather than contradict, the arguments of T. Rothman and S. Boughn.



Lawrence M. Krauss et Franck Wilczek, Using Cosmology to Establish the Quantization of Gravity, 2013



Remarque : c'est moi qui ai mis en caractère gras certains passages. Par contre le texte souligné est une mise en exergue par les auteurs de l'article d'une hypothèse fondamentale sur laquelle repose leur argumentation.






mardi 8 avril 2014

Est-ce (c'est) la fin de l'histoire de (la construction du modèle standard de) la physique des particules ?

//Travail de rédaction encore en cours

Le Modèle Standard (entièrement validé) est(-il) désormais la Théorie Standard (achevée) des particules (?)
Prenons prétexte de ce que le dernier grand raout  des physiciens des particules réunissant il y a un peu plus d'un mois expérimentateurs et théoriciens aux Rencontres de Moriond 2014 s'est achevé sur la confirmation éclatante de la validité du Modèle Standard (et l'absence de signes directs clairs d'une nouvelle physique) pour rappeler cette réflexion du grand physicien et prix Nobel japonais Yiochiro Nambu :
The Sakata-Taketani methodology is summarized in Taketani's three stage thesis. It posits that the progress in physics goes through a cycle of three stages. 
Stage 0 
We start with the discovery of new phenomena which are outside of the existing physical laws. 
Stage 1: Phenomenology

Our first task would be to collect data, and try to find some order or regularities in them, then arrive at some empirical laws or representations that enable us to organize them and make predictions... 

Stage 2: Model building

...We want to interpret the origin of the regularities in terms of a model, in which concrete, often hypothetical, entities are introduced. Or else the model may be mathematical in nature... 

Stage 3: Definitive theory
The next and the final stage is to construct or invent a theory which incorporates the various models in a precise, all-inclusive mathematical system or laws, which describes all phenomena in a quantitatively correct way and can make precise predictions. We immediately recall the Standard Model (SM) as an example... In the past 15 [now 33] years or so its validity has been confirmed to an impressive degree of precision. It has all the features for a definitive theory of the three basic interactions. It is still called a model, perhaps because some aspects has not yet been confirmed [all its predictions have been confirmed in 2012], and perhaps also because of the large numbers of phenomenologically adjustable parameters which could be derived in a more complete theory. Nevertheless its confirmed validity is such that essentially it deserves to be called the Standard Theory. 



La méthodologie de Sakata - Taketani est résumée dans la thèse en trois étapes de Taketani . Le progrès de la physique est supposé passer par un cycle de trois étapes. 
Étape 0
On commence avec la découverte de nouveaux phénomènes qui sont hors du champ des lois physiques existantes. 
Étape 1: Phénoménologie
La première tache consiste à recueillir des données et essayer d'y trouver un peu d'ordre ou des régularités, pour arriver à des lois ou des représentations empiriques qui permettent de les organiser et de faire des prédictions ... 
Etape 2: Construction d'un modèle
... On cherche à interpréter l'origine des régularités en termes de modèle dans lequel on introduit des entités concrètes, souvent hypothétiques. Ou bien le modèle peut être de nature mathématique ... 
Étape 3: Théorie achevée
L'étape suivante est la dernière, elle vise à construire ou inventer une théorie qui intègre les différents modèles dans un système de lois mathématiques rigoureux et complet qui décrit tous les phénomènes d'une manière quantitativement correcte et peut faire des prédictions précises. On pense immédiatement au Modèle Standard (MS) par exemple ... Dans les 15 [aujourd'hui 33] dernières années sa validité a été confirmée à un degré de précision impressionnant. Il possède toutes les caractéristiques d'une théorie achevée des trois interactions fondamentales. Il est encore qualifié de modèle, peut-être parce que certains aspects n'ont pas encore été confirmé [toutes ses prédictions le sont depuis 2012] et peut-être aussi à cause du grand nombre de paramètres phéno-ménologiques ajustables  qui pourraient être obtenus dans une théorie plus complète. Néanmoins sa validité confirmée est telle qu'en pratique il mérite d'être appelé la théorie standard.
Yiochiro Nambu, Three Stages, Three Modes, and Beyond, 1996

Les passages entre crochets constituent naturellement des commentaires personnels qui actualisent les propos de Nambu tenus il y a maintenant plus de 18 ans mais qui gardent aujourd'hui plus encore qu'hier toutes leurs pertinences semble-t-il.



Les particules élémentaires ont désormais leurs tableaux de classification périodique [synoptique] (symmétrique) complets ...
En voici trois exemples. Le premier a été trouvé par l'intermédiaire du blog scientifique du journal Libération tenu par Sylvestre Huet. Il est tiré d'une revue du CEA et rappelle dans sa présentation le fameux tableau de classification périodique des éléments chimiques.

(Fabrice Mathé & Amélie Lorec /LES DEFIS DU CEA) Source


Le second ci-dessous est tiré d'une vidéo du CERN qui retrace en cinq minutes l'historique de la construction du Modèle Standard. Le tableau gagne une dimension spatiale supplémentaire qui renforce son caractère synoptique en mettant clairement en évidence la hiérarchie (verticale) des interactions fondamentales.




Le troisième tableau revient à une structure spatiale bidimensionnelle mais choisit d'ajouter la couleur qui manquait à la précédente présentation. Il offre une place centrale à la dernière particule élémentaire à avoir été découverte, attribuant ainsi au fameux boson de Higgs et au mécanisme de brisure spontanée de symétrie imaginé par Nambu le rôle d'une clé de voute. Mais son originalité est surtout dans sa forme circulaire : évocation géométrique concrète de la notion mathématique abstraite de symétrie de jauge qui a joué un rôle crucial dans les différentes étapes de la construction du Modèle Standard. On s'éloigne ainsi de la structure rectangulaire classique du tableau de classification des éléments chimiques qui reposait sur l'idée fondamentale de périodicité des propriétés chimiques. 

(Walter Murch, David Kaplan ? Mark Levinson?) Source

Signalons pour la petite histoire que cette structure circulaire retenue pour la présentation des particules élémentaires doit aussi à la chimie car elle est venue semble-t-il à son auteur principal, Walter Murch, suite à une inspiration dans la même veine que celui de Kékulé pour la structure cyclique de la molécule de benzène. 


L'épopée de la découverte de la dernière particule du Modèle Standard en cinémascope (et bientôt distribuée en France?)!
Le récit de l'aventure épique et des moyens gigantesques mis en oeuvre pour débusquer la dernière particule du Modèle Standard méritait bien un beau documentaire avec une large diffusion. C'est fait grâce en particulier au réalisateur  (et ancien physicien théoricien) Mark Levinson aidé du professeur David Kaplan  et du monteur Walter Murch déjà cités. 



mardi 1 avril 2014

On a découvert un monde miroir ! / A-t-on déjà vu de la matière noire ?

Les physiciens des particules peuvent rêver à autre chose que SUSY (un 1er avril;-)
Recent astrophysical data indicates that dark matter shows a controversial behaviour in galaxy cluster collisions. In case of the notorious Bullet cluster, dark matter component of the cluster behaves like a collisionless system. However, its behaviour in the Abell 520 cluster indicates a significant self-interaction cross-section. It is hard for the WIMP based dark matter models to reconcile such a diverse behaviour. Mirror dark matter models, on the contrary, are more flexible and for them diverse behaviour of the dark matter is a natural expectation... 
If the mirror dark matter were as popular as the SUSY dark matter, we would say that it is already discovered. However, it would be more fair to conclude that we need more observational evidence to firmly prove this fascinating conjecture.
Z.K. Silagadze, Mirror dark matter discovered?, 19/08/2008

La physique de l'autre côté du miroir 
It is still widely known that in their famous article [9] Lee and Yang revealed “The fact that parity conservation in the weak interactions was believed for so long without experimental support” [10] and hypothesized the possibility of parity non-conservation in the weak interactions. The hypothesis turned out to be true, as the subsequent experiments had shown, and nowadays it is a firmly established fact that our universe is left-handed as far as the weak interactions are concerned. What is not so widely known is the fact that at the end of the very same paper Lee and Yang indicated how left-right symmetry of the world could be rescued by duplicating the non-symmetric part of our left-handed universe in the mirror...
After a decade, Kobzarev, Okun and Pomeranchuk, influenced by the Landau’s idea of combined parity and subsequent experimental discovery of CP-violation, digged out the mirror matter concept from the literature horizon and gave it the first serious phenomenological consideration [6]. This paper marked the real beginning of the mirror matter story. It was argued that almost all elementary particles should be duplicated (with possible exclusion of some neutral particles) and that the mirror particles can not have common strong and electromagnetic interactions with ordinary particles. The concepts of “Mirror Matter” and corresponding invisible “Mirror World”(after Lewis Carroll’s Alice Through the Looking Glass), as complex as our own world, were introduced in this work for the first time and observational effects of the mirror matter were investigated. Some further investigations of possible astrophysical effects of the hidden sector particles followed [14, 15, 16], but the idea was still not far from the literature horizon until it was rediscovered in the modern context of renormalizable gauge theories by Foot, Lew and Volkas [17] and used in the context of neutrino oscillations [18, 19]. Okun’s recent review [20] cites more than 250 references related to the mirror matter idea and we hope that it remains outside the literature horizon. However the idea is still little known to the majority of physicists, oriented at the mainstream.
ibid. 

La physique de l'autre côté du mur
“In the Soviet scientific society the scientists had one freedom that scientists in the West lacked and still lack (perhaps the only real freedom that Eastern scientists had), and that was to spend time also on esoteric questions. They did not have to be scrutinized by funding agencies every now and then” [84]. The Soviet Union disappeared and so did this freedom. You can consider this paper, if you like, as a nostalgia for this kind of freedom, enabling to escape bonds of the stiff pragmatic logic.
Z. K. Silagadze, TeV scale gravity, mirror universe, and . . . dinosaurs, 2000









jeudi 27 mars 2014

Le LHC2 peut-il tester SUSY2?

Le retour d'un super-héro quantique français : Pierre Fayet 
Toujours à l'affût des derniers développements sur le front de la recherche physique en général, et sur celui de la physique quantique en particulier, le blogueur interroge régulièrement les moteurs de recherche de ses sites favoris comme arxiv.org avec soit des mots clés qui empruntent au vocabulaire technique, soit des noms propres de physiciens (et de quelques mathématiciens) parce qu'il aime suivre leurs travaux ou parce qu'ils appartiennent à l'Olympe des scientifiques (ou à son Panthéon personnel) et qu'il est toujours intéressant de savoir sur quoi ils travaillent. Il s'agit là soit-dit en passant d'une attitude propre aux physiciens sur lequel on reviendra sûrement un autre jour. Quelle n'est pas sa surprise donc et sa joie de découvrir un article tout récent (déposé le 24 mars) de Pierre Fayet, l'un des pères fondateurs de la supersymétrie (et tout récemment élu à l'académie des Sciences) dont il avait pour la première fois vu le nom grâce à un blog de qualité dans le texte suivant :
... there was some sort of sadness coming out of the talks of particle physicists and string theorists. We heard the usual claims about string theory being "the only theory of quantum gravity" (Costas Bachas), or the "only game in town" on the unification side (John Ellis). This message seemed to be carried like an old reflex, without any enthusiasm, by people who have been waiting for too long without seeing any thing really new and interesting happening in their field. However, the talk of Pierre Fayet about supersymmetry standed out thanks to its remarkable honesty. In fact, Pierre Fayet was so honest about the various problems plaguing SUSY theories that I ended up being even more sceptical than I was before his talk ! Answering some question in the audience, John Ellis made the interesting comment that if SUSY is not seen at the LHC, he will certainly lose interest in the theory.
Fabien Besnard, Billet Frontiers of Fondamental Physics 11, Blog Mathéphysique, 10/07/2010
Avant de revenir à Fayet signalons que John Ellis dont il est aussi question dans cet extrait est également un scientifique de renom à qui on doit - outre un vaste corpus de travaux sur les conséquences phénoménologiques de la supersymétrie - les premiers efforts et incitations pour une recherche effective du boson de Higgs comme le rapelle la conférence Nobel de ce dernier. Remarquons aussi que malgré l'absence de signes de supersymétrie dans le premier round de fonctionnement du LHC John Ellis s'intéresse toujours à cette dernière dans l'attente des résultats du second round (LHC2) qui ne commencera au plus tôt que l'année prochaine (2015) :

 I still think that supersymmetry is the best-motivated extension of the Standard Model, and look forward to the next phases of LHC operation at higher energy and luminosity.
John Ellis, Summary of the Nobel Symposium on LHC Results, 13/09/2013

Défendre les recherches [de particules] {sur les théories} supersymétriques au vue des résultats du LHC1 (dans la perspective du LHC2) 
Revenons maintenant à Pierre Fayet et voyons dans quelle mesure il partage l'opinion de John Ellis. Dans son nouvel article il dessine les perspectives d'une famille de théories supersymétriques qui s'accommoderait des derniers résultats expérimentaux récoltés par le LHC jusqu'à une énergie de 8 TeV et qui pourrait fournir des prédictions testables lors du second round d'expériences à 14 TeV.

The electroweak scale is the most natural one where to search for supersymmetric particles, with supersymmetry usually expected to show up a not-too-high scale, now typically considered to be < a few TeV at most. But no supersymmetric particle has shown up yet, with lower limits on squarks and gluinos often reaching ≃ TeV scale. Still we keep hoping that the next round of LHC experiments will lead to a direct discovery of the new superpartners. In between, the finding at CERN of a new particle likely to be a spin-0 BE-Higgs boson seems to indicate that we are indeed on the right track, in contrast with other anticipations about the nature of electroweak breaking.
At which energy scale we may expect to find supersymmetric particles depends on the magnitude of the parameters describing supersymmetry breaking, in connection with the amount of breaking of the continuous R symmetry ... What should be the mass scale for the new particles, if not ∼ TeV scale as was commonly expected, remains an open question. 
As supersymmetry breaking and electroweak breaking are in general two independent phenomena, we should take seriously the possibility that their breaking scales be of different magnitudes. The supersymmetry-breaking scale could then be significantly larger, especially if a new physical phenomenon not directly related to electroweak breaking is involved in this process, such as the compactification of an extra dimension.
This could fix the supersymmetry-breaking scale in terms of the compactification scale ... We may then face the eventuality that superpartner masses be considerably larger than the presently accessible ≈ TeV scale, especially if the compactification of extra dimensions also sets the scale for grand-unification breaking. This may tell us that supersymmetry should only show up manifestly through the presence of R-odd superpartners at the compactification scale, i.e. 
 
m(R-odd superpartners) ≈ compactification scale ?  
This one is not necessarily directly tied to the electroweak scale, especially as the electroweak breaking can be directly formulated in the higher 5-or-6 dimensional spacetime (where it leaves an electrostrong symmetry unbroken), independently of the compactification scale. It may be quite high, especially if two similar compactification scales determine both the supersymmetry and grand-unification scales ... This would imply  
m(R-odd superpartners) ≈ GUT scale ??  
with the further possibility that the GUT scale be lower than usually considered, in connection with the possible stability of the proton associated with GUT-parity.
Pierre Fayet,  THE SUPERSYMMETRIC STANDARD MODEL with a Brout-Englert-Higgs boson as spin-0 partner of the Z, 24/03/2014

On peut à la lecture de cet extrait avoir un aperçu, je crois, de la rigueur et l'honnêteté intellectuelle dont parlait F. Besnard précédemment, celle d'un constructeur de modèles qui ne cache pas les difficultés auxquelles est confrontée toute théorie ambitieuse qui se confronte au tribunal du réel, celle d'un physicien courageux qui continue à proposer des solutions hypothétiques mais qui met bien en exergue les questions qui restent ouvertes dans le cadre de ses spéculations.

Le boson de Higgs est-il le signe d'une supersymétrie au carré !?
Avant de terminer il faut tout de même noter cette audacieuse proposition faite par Fayet dans le même article :
The new boson found at CERN with a mass close to 125 GeV/c2, believed to a Brout-Englerts-Higgs boson associated with the electroweak breaking, may well also be interpreted, in general up to a mixing angle as we shall see, as a spin-0 partner of the 91 GeV/c2 Z boson under two infinitesimal supersymmetry transformations ... 
The observation of a new spin-0 particle ... thus appears as an important indication in favor of this symmetry. According to this gauge-Higgs unification (already within N = 1 theories in 4 dimensions), BEH bosons naturally appear as extra spin-0 states of massive spin-1 gauge bosons. And this, in spite of the fact that they have different gauge-symmetry properties – thanks to the spontaneous breaking of the electroweak symmetry.
 
Le nouveau boson découvert au CERN avec une masse proche de 125 GeV/c2, supposé être un boson de Brout-Englert-Higgs associée à la brisure électrofaible, pourrait bien aussi s'interpréter comme [super]partenaire [au carré?] de spin 0 du boson Z de 91 GeV/c2 moyennant deux transformations de supersymétrie infinitésimales et un  certain angle de mélange comme nous allons le voir ... 
L'observation d'une nouvelle particule de spin nul ... apparaît ainsi comme une indication importante en faveur de cette symétrie. Selon cette unification entre bosons de jauge et de Higgs (déjà présente dans les théories à 4 dimensions avec N = 1), les bosons BEH apparaissent naturellement comme [super]partenaires [au carré] de spin 0 des bosons de jauge massifs de spin 1. Et ce, en dépit du fait qu'ils ont des propriétés vis-à-vis des symétries de jauge différentes - grâce à la brisure spontanée de la symétrie électrofaible.
ibid. 
Je laisse au lecteur meilleur physicien que moi apprécier la pertinence de cette vision des choses, pour ma part je m'interroge encore pour savoir si derrière cette interprétation audacieuse il n'y a pas un peu ... de malice.

//léger travail de correction et traduction effectués le 29/03/14
Le texte entre crochet dans la traduction de l'article de Fayet est un ajout de ma part qui traduit une formulation personnelle et pas celle de P. Fayet.

dimanche 16 mars 2014

La rumeur d'un signe expérimental de l'inflation cosmologique (peut-elle faire autre chose qu')enfle(r?)

Vous avez dit ondes gravitationnelles primordiales?
Ce week-end la blogosphère scientifique bruisse d'une rumeur excitante car elle tourne autour d'une possible découverte majeure en astrophysique : la première mise en évidence expérimentale de la trace d'ondes gravitationnelles primordiales dans la polarisation du fond diffus cosmologique. Pour être précis remarquons que la rumeur porte a priori sur le contenu de la "découverte majeure en astrophysique" car cette dernière est déjà une annonce publique faite par une institution américaine sérieuse donc a priori une vrai promesse et demain à 18 heure un fait avéré :
March 17th Press Conference on Major Discovery at Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Press Release Source: Harvard-Smithsonian Center for AstrophysicsPosted Wednesday, March 12, 2014
The Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) will host a press conference at 12:00 noon EDT (16:00 UTC) on Monday, March 17th, to announce a major discovery.
Video of the press conference will be streamed live beginning at 11:55 a.m. EDT from the link at http://www.cfa.harvard.edu/news/news_conferences.html

Pour savoir ce que pense la communauté des scientifiques professionnels qui partagent sur la toile leurs réactions et commentaire à propos de cette future nouvelle discutée aussi dans la presse grand publique anglo-saxonne (The Guardian) voici une liste non exhaustive : 




Derrières les ondes gravitationnelles, la question de l'inflation et de la cosmologie quantique...
We do not know the history of the observable Universe before the epoch of nucleosynthesis, but it is widely believed that there was an early era of cosmological inflation. During this era, the Universe was filled with a homogeneous scalar field φ, called the inflaton field, and essentially nothing else. The potential V(φ) dominated the energy density of the Universe, decreasing slowly with time as φ rolled slowly down the slope of V. 
The attraction of this paradigm is that it can set the initial conditions for the subsequent hot big bang, which otherwise have to be imposed by hand. One of these is that there by no unwanted relics (particles or topological defects which survive to the present and contradict observation). Another is that the initial density parameter should have the value Ω = 1 to very high accuracy, to ensure that its present value has at least roughly this value. There is also the requirement that the Universe be homogeneous and isotropic to high accuracy. 
All of these virtues of inflation were noted when it was first proposed by Guth in 1981 and very soon a more dramatic one was also noticed. Starting with a Universe which is absolutely homogeneous and isotropic at the classical level, the inflationary expansion of the Universe will ‘freeze in’ the vacuum fluctuation of the inflaton field so that it becomes an essentially classical quantity. On each comoving scale, this happens soon after horizon exit. Associated with this vacuum fluctuation is a primordial energy density perturbation, which survives after inflation and may be the origin of all structure in  the Universe. In particular, it may be responsible for the observed cosmic microwave background  (cmb) anisotropy and for the large-scale distribution of galaxies and dark matter.  Inflation also generates primordial gravitational waves as a vacuum fluctuation, which may contribute to the low multipoles of the cmb anisotropy. 
When it was first proposed in 1982, this remarkable paradigm received comparatively  little attention. For one thing observational tests were weak, and for another the inflationary density perturbation was not the only candidate for the origin of structure. In particular,  it seemed as if cosmic strings or other topological defects might do the job instead. This situation changed dramatically in 1992, when COBE measured the cmb anisotropy on large angular scales, and another dramatic change is now in progress with the advent of smaller scale measurement. Subject to confirmation of the latter, it seems that the paradigm of slow-roll inflation is the only one not in conflict with observation.
David H. Lyth et Antonio Riotto, Particle Physics Models of Inlfation and the Cosmological Density Perturbation, 16/03/1999

Le paradigme de l'inflation trouvera-t-il demain son meilleur modèle d'inflaton?
Is it possible to show convincingly that inflation is responsible for the large-scale homogeneity, isotropy and flatness of the universe, and the primordial spectrum of metric fluctuations that seeded galaxy formation and sourced the temperature and polarization variations in the cosmic microwave background (CMB)? Some would claim no, because there is too much freedom in constructing inflationary models. Even if one shows that the observations are consistent with the predictions of a particular inflationary model, this is unconvincing because, for virtually any given combination of observations, one can design many inflationary models that reproduce them. If a theory allows everything, it has no predictive power. In this paper, though, we describe how to combine observations into a sequence of “bootstrap tests” that, if any one of them is passed, will be the most direct confirmation possible that the universe underwent a brief period of acceleration followed by a long period of deceleration.
Latham Boyle et Paul J. Steinhardt, Testing Inflation: A Bootstrap Approach, 8/10/2010 

Un peu plus près du Big-Bang et de l'énergie de Planck (aux erreurs systématiques près)
ça-y-est ! L'article de la collaboration BICEP2 - à qui on doit à tout le moins vraisemblablement la naissance de l'astrophysique expérimentale des ondes gravitationnelles primordiales - est maintenant disponible :

BICEP2 I: DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES
La rumeur était donc vraie; voici les premiers échos sur la blogosphère :
At a presentation from the Harvard-Smithsonian the BICEP2 team have announced that they have the ”first direct evidence of cosmic inflation”. As rumoured they have detected what they believe to be primordial gravitational waves with a ratio or tensor to scalar modes of r=0.2 (+0.07 -0.05) which is 5 sigma over the null hypothesis. This is a game-changing result for inflationary cosmology and possibly for quantum gravity research because the result indicates that the scale of the inflation is only about a factor of 100 below the Planck scale.
Philip Gibbs, “first direct evidence of cosmic inflation” BICEP2 results, 17/03/2014

Until this measurement/discovery is confirmed by another experiment, you should consider it provisional. Although this is too large a signal to be likely to be due to a pure statistical fluke, it could still be due to a mistake or problem. The history of science is littered with examples; remember the 2011 measurement by OPERA that showed neutrinos moving faster than the speed of light was far too large to be a statistical fluke. Fortunately there will be other experiments coming and so we’ll have a chance for various experiments to either agree or disagree with each other in the very near future.
If this measurement is correct, and if indeed it reflects gravitational waves from inflation in the most conventional way, then it would tell us that inflation occurred with a dark energy per unit volume (i.e. dark energy density) that is comparable to the energy scales associated for decades with the energy and distance scale at which all the known non-gravitational forces would naively have about the same strength — the so-called “unification of coupling constants”, sometimes extended to “grand unification” in which the various forces actually turn out to be manifestations of just a single force. This would be very remarkable, but not necessarily evidence for unification. There are other ways to get the same scale, which is about 100 times lower in energy (100,000,000 times lower in energy per unit volume) than the scale of quantum gravity (the Planck scale, which, roughly is the energy density required to make the smallest possible black hole.)
Matt Strassler, BICEP2: New Evidence Of Cosmic Inflation!, 17/03/2014


lundi 3 mars 2014

"Règle de trois" heuristique dans le champ des possibles physiques: "plus de particules, un nouvel éther, ou une meilleur modélisation de l'espace"

Les physiciens des hautes énergies n'aiment pas le bouillon que la nature leur sert...
La blogosphère se fait l'écho ces temps-ci des réflexions autour de l'opportunité de poursuivre la course aux hautes énergies avec la construction éventuelle d'un accélérateur de 100 TeV au regard du "peu" de nouvelles particules élémentaires découvertes lors du premier round de fonctionnement du LHC - le plus grand accélérateur actuel - qui a déjà atteint 8 TeV et devrait fonctionner à 14 TeV à partir de 2015. Matt Strassler est le dernier en date à ma connaissance à discuter du sujet de manière détaillée et simple sur son blog. On peut aussi le voir à la fin de cette vidéo débattre de la question en termes techniques avec entre autre Nima Arkani Hamed, David Gross et Nathan Seiberg, trois éminents physiciens théoriciens et spécialistes de la théorie des cordes (une retranscription du débat accompagnée du commentaire d'un blogueur qui connait bien ces physiciens et la théorie des cordes se trouve ici). 

...les physiciens des solides y ont pourtant déjà mis un grain de sel qui rend le bouillon moins amère...
Or donc la soupe de particules produites par les collisions proton-proton à 8 TeV du LHC est trop claire aux yeux des physiciens des hautes énergies et certains s'inquiètent de l'impossibilité théorique d'enrichir leur soupe en récoltant des preuves expérimentales de particules supersymétriques (sans parler d'indices pour des dimensions supplémentaires de l'espace-temps) à l'échelle de la dizaine de TeV (accessible dans un futur proche au LHC). Alors la physique des particules ou du moins celle des accélérateurs géants risque-t-elle de boire le bouillon pour parler familièrement? Le spectre de l'abandon du programme de construction du SSC américain hante les mémoires des plus avertis...  D'aucuns à ce sujet se complaisent parfois à souligner le rôle qu'a pu jouer un éminent spécialiste de la physique des solides, Philip W. Anderson, qui plaida contre la construction de cet accélérateur qui aurait dû pouvoir atteindre 40 TeV. Le mieux pour dépasser un éventuel ressentiment est sûrement de lire une très intéressante entrevue du courrier du CERN avec un (le plus?) éminent spécialiste de physique des particules, Steven Weinberg (faite à l'occasion d'une conférence sur les 50 ans de la théorie BCS) : I remember that Phil Anderson and I testified in the same Senate committee hearing on the issue, he against the SSC and I for it. His testimony was so scrupulously honest that I think it helped the SSC more than it hurt it.

Mais ce qui est vraiment intéressant pour le sujet qui nous intéresse c'est ce que dit Weinberg un peu plus loin dans l'entrevue déjà citée:

During the SSC debate, Anderson and other condensed-matter physicists repeatedly made the point that the knowledge gained in elementary-particle physics would be unlikely to help them to understand emergent phenomena like superconductivity. This is certainly true, but I think beside the point, because that is not why we are studying elementary particles; our aim is to push back the reductive frontier, to get closer to whatever simple and general theory accounts for everything in nature. It could be said equally that the knowledge gained by condensed-matter physics is unlikely to give us any direct help in constructing more fundamental theories of nature.
...
Condensed-matter physics and particle physics are relevant to each other, despite everything I have said. This is because, although the knowledge gained in elementary-particle physics is not likely to be useful to condensed-matter physicists, or vice versa, experience shows that the ideas developed in one field can prove very useful in the other. Sometimes these ideas become transformed in translation, so that they even pick up a renewed value to the field in which they were first conceived. 
The example that concerns me is an idea that elementary-particle physicists learnt from condensed-matter theory – specifically from the BCS theory. It is the idea of spontaneous symmetry breaking.
Steven Weinberg, From BCS to the LHC, 21/01/2008 

Où l'on voit que Weinberg souligne la différence de nature autant que de culture entre physiciens du solide à la recherche de lois émergentes et physiciens des particules en quette de réductionnisme, les premiers manipulant des théories aux approximations sinon mal définies, souvent peu contrôlées quand les autres s'enorgueillissent de calculs perturbatifs à la précision diabolique. Mais Weinberg insiste surtout sur le rôle crucial des réflexions sur la phénoménologie de la physique du solide pour l'élaboration conceptuelle du mécanisme de brisure spontanée de la symétrie électrofaible par des physiciens comme le désormais célèbre Peter Higgs. Ce dernier l'explique aussi parfaitement dans sa récente conférence Noble citant en particulier Nambu et Goldstone mais aussi Anderson, lequel prophétisait au début des années 2000:

Strings make it possible to understand the Bekenstein limit on the entropy of a black hole, which ... suggests that quantum gravity is, in some sense, able to create ist own "convergence factor" : to prevent the infinite subdivision of space and time. But between here and the Planck limit there is still the probability (rather than a mere "possibility") of enormous surprises. The great variety of unexpectedly large or small parameters in the Standard Model (the neutrino mass the latest to appear) makes it almost certain that there are several further stages in the hierarchy. The first of these will appear in the next decade, certainly, when we will probably discover unexpected complexity in the Higgs phenomenon. (A personal guess: but no supersymmetry). 
Philip W. Anderson, 21st Century Physics in More is Different.

Jusqu'à aujourd'hui on peut dire que le physicien des solides est dans le vrai, si ce n'est qu'en matière de complexité inattendue du phénomène de Higgs, il faut plutôt parler de simplicité effective du boson de Higgs dans la mesure où ses propriétés semblent en accord avec le modèle le plus simple prévu celui du Modèle Standard et de l'extrême non naturalité  de ses paramètres qui fait consensus ou presque... 

Et si quelques physiciens hardis et mathématiciens savaient voir non pas un bouillon à boire mais une soupe à manger pour grandir?
... à suivre (où l'on verra que quelques physiciens tentent de voir dans le boson de Higgs un pont qui mènerait très loin, à l'époque de l'inflation cosmologique en fait, et permettrait de monter très haut sur l'échelle des énergies, pas très loin du barreau de Planck)

dimanche 2 février 2014

Retours vers le passé en attendant la prochaine percée expérimentale ...

 ... qui fera avancer la théorie [des cordes], {de la gravitation quantique à boucle} (ou une autre
One often hears that the present day situation in fundamental physics (string theory, loop gravity) has some similarity with the early years of quantum theory, before the great breakthrough – mostly by a young generation – in 1925-26. I find this analogy totally wrong. Without the precision experiments by the Berlin group (Kurlbaum, Rubens, etc.) and the difficult measurements of the specific heat of molecular hydrogen and other diatomic gases at low temperatures, that demonstrated the freezing out of the rotational degrees of freedom, as well as the low temperature measurements of the specific heat of solids by Nernst, Lindemann and others, it is hard to imagine that quantum theory could have been developed. This is, of course, not new, but it may not be inappropriate to be recalled in an article ...”
Norbert Straumann, On the first Solvay Congress in 1911, 10/2011