Une fois trouvées, ces règles impénétrables ont aidé les physiciens des particules à calculer des amplitudes de diffusion à des niveaux de précision bien plus élevés que ceux qu’ils pouvaient atteindre avec l’approche traditionnelle. La restructuration a également permis à Dixon et à ses collaborateurs de repérer le lien caché entre les deux amplitudes de diffusion apparemment sans rapport.
Carte des antipodes
Au cœur de la dualité se trouve la « carte des antipodes ». En géométrie, une carte antipode prend un point sur une sphère et inverse les coordonnées, vous envoyant directement à travers le centre de la sphère vers un point de l’autre côté. C’est l’équivalent mathématique de creuser un trou du Chili à la Chine.
Dans les amplitudes de diffusion, la carte des antipodes trouvée par Dixon est un peu plus abstraite. Il inverse l’ordre des lettres utilisées pour calculer l’amplitude. Appliquez cette carte antipode à tous les termes de l’amplitude de diffusion pour deux gluons devenant quatre, et (après un simple changement de variables) cela donne l’amplitude pour deux gluons devenant un gluon plus un Higgs.
Dans l’analogie de l’ADN de Dixon, la dualité revient à lire une séquence génétique à l’envers et à se rendre compte qu’elle code une protéine totalement nouvelle sans rapport avec celle codée par la séquence d’origine.
« Nous étions tous convaincus que la carte des antipodes était inutile. Cela ne semblait pas avoir de signification physique ou faire quoi que ce soit de significatif », a déclaré Matt von Hippel, spécialiste de l’amplitude à l’Institut Niels Bohr de Copenhague, qui n’a pas participé à la recherche. “Et maintenant, il y a cette dualité totalement inexplicable qui l’utilise, ce qui est assez sauvage.”
Pas tout à fait notre monde
Il y a maintenant deux grandes questions. D’abord, pourquoi la dualité existe-t-elle ? Et deuxièmement, trouvera-t-on une connexion similaire dans le monde réel ?
Les 17 particules élémentaires connues qui composent notre monde respectent un ensemble d’équations appelé le modèle standard de la physique des particules. Selon le modèle standard, deux gluons, les particules sans masse qui collent ensemble les noyaux atomiques, interagissent facilement les uns avec les autres pour doubler leur propre nombre, devenant quatre gluons. Cependant, pour produire un gluon et une particule de Higgs, les gluons en collision doivent d’abord se transformer en un quark et un antiquark ; ceux-ci se transforment alors en un gluon et un Higgs via une force différente de celle qui régit les interactions mutuelles des gluons.
Ces deux processus de diffusion sont si différents, l’un impliquant un secteur entièrement différent du modèle standard, qu’une dualité entre eux serait très surprenante.
Mais la dualité antipodale est également inattendue, même dans le modèle simplifié de la physique des particules que Dixon et ses collègues étudiaient. Leur modèle jouet régit les gluons fictifs avec des symétries supplémentaires, qui permettent des calculs plus précis des amplitudes de diffusion. La dualité lie un processus de diffusion impliquant ces gluons et un autre qui nécessite une interaction externe avec des particules décrites par une théorie différente.
Dixon pense qu’il a un indice très ténu sur l’origine de la dualité.
Rappelez-vous ces règles inexplicables trouvées par Volovich et ses collègues qui dictent quelles combinaisons de mots sont autorisées dans une amplitude de diffusion. Certaines des règles semblent restreindre arbitrairement les lettres qui peuvent apparaître les unes à côté des autres dans l’amplitude de deux gluons à gluons plus Higgs. Mais mappez ces règles de l’autre côté de la dualité, et elles se transforment en un ensemble de règles bien établies qui assurent la causalité, garantissant que les interactions entre les particules entrantes se produisent avant que les particules sortantes n’apparaissent.
Pour Dixon, il s’agit d’un petit indice d’une connexion physique plus profonde entre les deux amplitudes, et une raison de penser que quelque chose de similaire pourrait être valable dans le modèle standard. “Mais c’est assez faible”, a-t-il dit. “C’est comme des informations de seconde main.”
D’autres dualités entre des phénomènes physiques disparates ont déjà été trouvées. La correspondance AdS-CFT, par exemple, dans laquelle un monde théorique sans gravité est duel à un monde avec gravité, a alimenté des milliers d’articles de recherche depuis sa découverte en 1997. Mais cette dualité, aussi, n’existe que pour un monde gravitationnel avec une géométrie déformée contrairement à celle de l’univers réel. Pourtant, pour de nombreux physiciens, le fait que de multiples dualités existent presque dans notre monde laisse entendre qu’elles pourraient effleurer la surface d’une structure théorique globale dans laquelle ces connexions surprenantes sont manifestes. “Je pense qu’ils font tous partie de l’histoire”, a déclaré Dixon.
Histoire originale réimprimée avec la permission de Quanta Magazine, une publication éditorialement indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique de la science en couvrant les développements de la recherche et les tendances en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.
