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 éléments de base de la matière s’assemblent-ils pour former des étoiles, des galaxies ou des trous noirs ? Le livre Amazing Infinity qui vient de paraître nous plonge au cœur d’une grande aventure scientifique suivie par une quarantaine de chercheurs. Ursula Bassler, coordinatrice du livre, explique les enjeux.

Pourquoi considérer l’infiniment grand et l’infiniment petit dans un seul livre ? Qu’est-ce qui les relie les uns aux autres ?
Ursule Bassler. L’ambition des physiciens est de compiler une description cohérente de l’univers basée sur des lois universelles. Le lien entre la physique de l’infiniment grand et la physique de l’infiniment petit s’établit de façon naturelle. Notre objectif est de montrer dans quelle mesure les observations cosmologiques influencent 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’au moment du Big Bang il y avait autant de matière que d’antimatière. Or, nous sommes dans un univers composé de matière. La question de savoir ce qu’il est advenu de l’antimatière préoccupe à la fois les cosmologistes et les physiciens des particules.

Autre exemple : on sait que l’Univers est en expansion sous l’influence de la quantité de mouvement de l’énergie noire et se structure du fait de la présence de matière noire. Les physiciens de l’infiniment petit recherchent actuellement des manifestations corpusculaires de cette matière. Enfin, il y a toute une branche de la physique qui s’intéresse aux astroparticules. Rayons cosmiques, neutrinos cosmiques, ondes gravitationnelles – tout cela annonce 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 contributions d’une quarantaine de chercheurs de l’Institut National de Physique Nucléaire et des Particules (IN2P3), ainsi que de l’Institut de Physique (INP) et de l’Institut National des Sciences de l’Univers (Insu) CNRS. . Les scientifiques ont fait de gros efforts pour vulgariser et concrétiser leurs recherches. Nous avons ensuite retravaillé les textes pour produire un récit facile à lire et offrant un contexte historique aux grandes découvertes. Ce qui caractérise les recherches en sciences physiques, c’est qu’elles s’effectuent le plus souvent dans le cadre de grandes collaborations internationales. Cet ouvrage a été élaboré dans le même esprit collaboratif pour donner un large aperçu de la recherche à l’IN2P3.

Le livre est riche en phénomènes physiques qui dépassent notre expérience quotidienne et notre compréhension. Comment les rendre accessibles au grand public ?
UB En effet, il existe de nombreuses idées étranges, comme un vide qui n’est pas vide mais qui produit des particules, des neutrinos qui oscillent, un espace-temps qui vibre, ou de l’antimatière qui peut “tomber” dans le ciel. Ce sont des phénomènes physiques qui sont loin de la vie quotidienne. En plus du texte, nous avons essayé d’illustrer ces concepts avec des infographies qui guident le lecteur et l’aident à se faire une image mentale de ces concepts. Nous avons inclus beaucoup d’images, de belles images, parce que nous voulions aussi que ce livre soit beau.

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Merveilles infinies également intéressé par les méthodes et les outils qui ont conduit à de grandes découvertes. L’histoire des deux infinis est-elle aussi l’histoire des moyens et de l’ingéniosité des scientifiques ?
UB En effet, il y a un échange constant entre la science et la technologie. Les avancées technologiques donnent accès à de nouvelles connaissances, et en même temps, les questions scientifiques stimulent le développement de nouvelles technologies. C’est incroyable de voir le chemin parcouru depuis les premières émulsions de traînées de particules et les grands détecteurs du LHC. A noter également que dans ces disciplines, les instruments sont conçus et développés en laboratoire puis réalisés en collaboration avec des industriels. Un autre aspect important est le traitement des données. La physique des particules produit des données si massives que, jusqu’en 2014, la plupart des données circulant sur Internet étaient produites par le LHC.

Ursula Bassler au CERN en 2018.

Les applications technologiques issues de ces théories et expériences sous-jacentes sont également discutées. Pourquoi devrions-nous aussi nous 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 voulions montrer que le contraire est vrai, et qu’il existe un lien entre l’infiniment abstrait et l’infiniment concret. Les méthodes et les résultats de ces recherches trouvent application, par exemple, dans l’imagerie médicale ou dans des instruments qui visualisent l’intérieur d’un volcan. Sans oublier, bien sûr, la création du World Wide Web au CERN. Nous traitons également des questions d’énergie nucléaire et de 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 d’unifier la physique de deux infinis. Pensez-vous que nous sommes proches du tournant où nous pourrons combiner ces deux physiciens en une seule grande théorie ?
UB Je n’en ai aucune idée, mais la création d’une théorie de la gravité quantique, qui permet de combiner la gravité, qui opère à grande échelle, et la mécanique quantique, qui décrit le monde microscopique, est l’une des motivations pour poursuivre ces études. Pendant longtemps, les études expérimentales ont été guidées par des prédictions théoriques. A l’heure actuelle, je crois que ce sont les expériences et les observations qui doivent montrer la voie. Ce sont eux qui, peut-être, souligneront les incohérences des modèles physiques modernes et, ainsi, nous donneront les clés de la nouvelle physique.

Lis
Merveilles infiniesUrsula Bassler (dir.), CNRS Éditions, novembre 2022, 336 pp., 24 euros.

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