Comment explorer les questions non résolues en physique | James Beacham | TEDxBerlin

James Beacham cherche des réponses aux plus importantes questions ouvertes de la physique en utilisant la plus grande expérience scientifique jamais montée, le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Dans ce discours amusant et accessible sur la façon dont la science se déroule, Beacham nous emmène dans un voyage à travers les dimensions extra-spatiales à la recherche de particules fondamentales non découvertes (et d'une explication des mystères de la gravité) et détaille la motivation pour continuer à explorer.

Cette présentation a été donnée lors d'un événement TEDx local
utilisant le format des conférences TED mais organisé indépendamment.
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Il y a quelque chose
à propos de la physique

qui me dérange vraiment
depuis que je suis petit.

Et cela concerne une question

que les scientifiques se posent
depuis presque 100 ans,

en vain.

Comment les plus petites choses
qui existent dans la nature,

les particules du monde quantique,

sont-elles reliées
aux plus grandes choses de la nature --

les planètes, les étoiles et les galaxies
retenues par la gravité ?

Enfant, c'était le genre de questions
qui me perturbaient.

Je m'amusais avec des microscopes
et des électroaimants,

je lisais sur les forces du minuscule

et sur la mécanique quantique

et je m'émerveillais
de l'exactitude de la description

par rapport à nos observations.

Puis je regardais les étoiles,

et je lisais qu'on connait bien la gravité

et je pensais qu'il devait y avoir
une manière élégante

de faire coïncider ces deux systèmes.

Mais il n'y en a pas.

Et les livres disaient,

oui, nous comprenons très bien
ces deux domaines séparément,

mais en essayant de les relier
mathématiquement,

tout s'écroule.

Et pendant 100 ans,

aucune de nos idées censées
résoudre ce désastre de la physique

n'a pu être appuyée par des preuves.

Et pour mon moi enfant --

le petit, curieux et sceptique James --

c'était une réponse extrêmement décevante.

Je suis d'ailleurs
toujours un enfant sceptique.

Faisons un bon en avant
jusqu'en décembre 2015,

quand je me suis retrouvé coincé au milieu

du monde de la physique
complètement retourné.

Au CERN, on a remarqué
une chose intrigante dans nos données :

la trace d'une nouvelle particule,

l'ombre d'une éventuelle réponse
extraordinaire à cette question.

Je suis encore un enfant sceptique,

mais je suis aussi
un chasseur de particules.

Je suis physicien au Grand collisionneur
de hadrons (LHC) du CERN,

la plus grande expérience scientifique
jamais organisée.

C'est un tunnel de 27 kilomètres à
la frontière de la France et de la Suisse,

creusé 100 mètres sous la terre.

Et dans ce tunnel,

on utilise des aimants supraconducteurs
plus froids que la température de l'espace

pour accélérer des protons,
presque à la vitesse de la lumière,

et les écraser les uns contre les autres
des millions de fois par secondes,

afin de recueillir
les débris de ces collisions

et chercher de nouvelles particules
fondamentales inconnues.

Sa création a demandé
des décennies de travail

à des centaines de physiciens
à travers le monde

et lors de l'été 2015,

nous avons travaillé sans relâche
afin de lancer le LHC

à la plus grande énergie jamais utilisée
pour ce genre d'expérience.

Une énergie plus élevée
est en fait indispensable

car pour les particules,
il existe un équivalent

entre l'énergie
et la masse des particules,

et la masse n'est qu'un nombre
mis là par la nature.

Pour découvrir des particules,

on doit atteindre ces grands nombres.

Et pour ça, il faut créer un collisionneur
plus grand et plus puissant,

et le plus grand, plus puissant
collisionneur au monde

est le Grand collisionneur de hadrons.

Ensuite, nous réalisons des collisions
de protons des billiards de fois,

nous rassemblons ces données
très lentement, cela dure des mois.

Les nouvelles particules pourraient
y apparaître comme des disparités,

de légers écarts par rapport
à ce qu'on attendait,

de petits amas de points qui rendent
une ligne lisse un peu moins lisse.

Par exemple, cette disparité,

après des mois de collecte
de données en 2012,

a révélé l'existence
de la particule de Higgs --

le boson de Higgs --

et a mené à un prix Nobel
pour la confirmation de son existence.

Ce pic dans le domaine
de l'énergie en 2015

était la meilleure chance
que nous avions, en tant qu'espèce,

de découvrir des particules --

des réponses à ces éternelles questions,

car c'était presque le double de l'énergie
que nous avons utilisé

pour la découverte du boson de Higgs.

Beaucoup de mes collègues ont travaillé
toute leur carrière pour ce moment

et honnêtement,
pour le jeune moi si curieux,

c'était le moment
que j'avais attendu toute ma vie.

2015 était un grand moment.

Et donc en juin 2015,

le LHC a été rallumé.

Nous avons retenu notre souffle
et rongé nos ongles

et enfin assisté
à la première collisions de protons

à l'énergie la plus haute jamais utilisée.

Applaudissements, champagne, célébration.

C'était un tournant pour la science,

nous n'avions aucune idée de ce qu'on
trouverait dans ces nouvelles données.

Quelques semaines après,
on a trouvé une disparité.

Ce n'était pas une grosse disparité,

mais c'était assez gros
pour nous faire sourciller.

Sur l'échelle de 1 à 10
du haussement de sourcils,

si 10 indique la découverte
d'une nouvelle particule,

c'était un quatre.

(Rires)

J'ai passé des heures, des jours,
des semaines à des réunions secrètes,

débattant avec mes collègues
sur cette disparité,

la manipulant sans pitié
avec ce qui nous passait par la tête

pour voir si elle supporterait
d'être observée.

Mais après des mois de travail acharné --

à dormir dans nos bureaux
sans rentrer à la maison,

des barres chocolatées en guise de dîner,

du café par litres entiers --

les physiciens sont des machines
qui transforment le café en diagrammes --

(Rires)

Cette petite disparité ne s'en allait pas.

Après quelques mois,

nous avons montré cette petite disparité
au monde avec un message très clair :

cette petite disparité
est intéressante, mais pas définitive,

donc surveillons-la
et récupérons plus de données.

Nous avons essayé
d'être très décontractés à ce sujet.

Et le monde entier
s'est quand même enthousiasmé.

Les journaux nous adoraient.

Les gens nous ont dit
que ça leur rappelait la disparité

qui avait mené à la découverte
du boson de Higgs.

Mieux que ça,
mes collègues théoriciens --

j'adore mes collègues théoriciens --

mes collègues théoriciens ont écrit
500 articles sur cette petite disparité.

(Rires)

Le monde de la physique des particules
avait été complètement retourné.

Mais qu'est-ce qui faisait
que cette petite disparité

avait réussi à enthousiasmer
des centaines de physiciens ?

Cette petite disparité était unique.

Cette disparité indiquait

que nous observions un nombre
étonnamment grand de collisions

dont les débris étaient composés
de seulement deux photons,

deux particules de lumière.

Et c'est rare.

Une collision ne ressemble pas
à un accident de voiture.

Elle répond à d'autres règles.

Si celle-ci se fait
presque à la vitesse de la lumière,

c'est dans le monde quantique.

Dans ce monde quantique,

les deux particules peuvent brièvement
créer une nouvelle particule

qui vit pendant une fraction de secondes

puis explose en d'autres particules
repérées par notre détecteur.

Imaginez un accident où les deux voitures
disparaissent sous l'impact,

une bicyclette apparaît à la place --

(Rires)

et puis cette bicyclette
éclate en deux skateboards,

qui frappent nos détecteurs.

(Rires)

Heureusement, pas littéralement.

Ils coûtent très cher.

Les moments où deux photons atteignent
nos détecteurs sont très rares.

Et à cause des propriétés
quantiques des photons,

il existe un nombre très petit
de nouvelles particules possibles --

ces bicyclettes mythiques --

qui peuvent donner naissance
à seulement deux photons.

Mais une de ces options est immense

et concerne cette éternelle question

qui me dérangeait quand j'étais petit,

à propos de la gravité.

La gravité vous semble plutôt forte,

mais elle est en réalité très faible
comparée à d'autres forces de la nature.

Je peux brièvement
vaincre la gravité en sautant,

mais je ne peux pas attraper
un des photons de ma main.

La force de la gravité comparée
aux autres forces de la nature ?

C'est 10 puissance moins 39.

C'est une décimale avec 39 zéros derrière.

Pire que ça,

toutes les autres forces de la nature
sont très bien décrites

par ce que nous appelons
le modèle standard,

notre meilleure description actuelle
de la nature à sa plus petite échelle

et franchement,

une des plus grandes réussites
de l'humanité --

à l'exception de la gravité,
qui est absente du modèle standard.

C'est dingue.

C'est presque comme si
la majorité de la gravité avait disparu.

On en ressent une petite partie,

mais qu'en est-il du reste ?

Personne ne le sait.

Mais une explication théorique
propose une solution folle.

Vous et moi --

même vous, assis au fond --

nous vivons dans
trois dimensions de l'espace.

J'espère que c'est une déclaration
admise par tous.

(Rires)

Toutes les particules connues
existent aussi dans trois dimensions.

En fait, une particule
est juste un autre nom

pour une excitation
dans un champ tridimensionnel ;

une oscillation dans l'espace.

Et surtout, toutes les mathématiques
que nous utilisons pour décrire tout ça

présument qu'il n'y a
que trois dimensions dans l'espace.

Mais on peut jouer avec les maths
comme on veut, car ce sont les nôtres.

Et on joue avec des dimensions
supplémentaires dans l'espace

depuis longtemps,

mais c'est toujours resté
un concept mathématique abstrait.

Je veux dire, regardez autour de vous --
vous aussi au le fond --

il n'y a clairement
que trois dimensions dans l'espace.

Mais si ce n'était pas vrai ?

Et si la gravité manquante disparaissait
dans une dimension extra-spatiale

qui nous était invisible ?

Et si la gravité était aussi forte
que les autres forces

si on la regardait
dans cette dimension extra-spatiale ?

Et si nous ne ressentions
qu'une infime partie de la gravité

et que c'était pour ça
qu'elle était si faible ?

Si c'était vrai,

on devrait élargir
notre modèle standard de particules

pour y inclure une nouvelle particule,

une particule de gravité
hyper-dimensionnelle,

un graviton qui existerait
dans une dimension extra-spatiale.

Si vous pouviez voir vos têtes.

Vous devriez me poser la question :

« Comment pouvons-nous tester
cette folle idée de science-fiction,

puisque nous sommes coincés
dans trois dimensions ? »

De la manière habituelle,

en télescopant deux protons --

(Rires)

assez fort pour que
la collision se réverbère

dans une dimension extra-spatiale
qui pourrait être là,

créant temporairement
ce graviton hyper-dimensionnel

avant de revenir
dans les trois dimensions du LHC

et de se séparer en deux photons,

deux particules de lumières.

Cet hypothétique graviton
extra-dimensionnel

est une des seules nouvelles particules
possibles et hypothétiques

qui possèdent ces propriétés quantiques

et qui pourraient donner naissance
à notre petite disparité à deux photons.

La possibilité d'expliquer
les mystères de la gravité

et de découvrir des dimensions
supplémentaires de l'espace --

vous comprenez mieux maintenant

pourquoi des centaines de geeks physiciens
ont tous perdu leur sang-froid

juste pour cette disparité
de deux photons.

Une découverte de ce type pourrait
changer les manuels scolaires.

Mais souvenez-vous,

notre avis, celui des expérimentateurs,

qui travaillions là-dessus était clair :

il faut plus de données.

Avec plus de données,

cette petite disparité
se transformera en joli Prix Nobel --

(Rires)

ou les nouvelles données se placeront
autour de cette disparité

et la transformeront en jolie ligne lisse.

On a pris plus de données

et avec cinq fois plus de données,
quelques mois après,

notre petite disparité

s'est transformé en ligne toute lisse.

Les journaux ont décrit « l'énorme
déception », les « espoirs évanouis »

et les « tristes »
physiciens des particules.

À en croire le ton des articles,

on avait décidé d'éteindre le LHC
et de rentrer à la maison.

(Rires)

Ce n'est pas ce qu'on a fait.

Mais...

Pourquoi pas ?

Je veux dire, si je n'ai pas découvert
de particule -- c'est le cas--

pourquoi suis-je ici
en train de vous parler ?

Pourquoi je n'ai pas simplement
honteusement baissé la tête,

avant de rentrer chez moi ?

Les physiciens des particules
sont des explorateurs.

En majorité, nous faisons
de la cartographie.

Oubliez le LHC pendant une seconde.

Imaginez que vous êtes
un explorateur spatial,

arrivant sur une planète lointaine,
à la recherche d'aliens.

Quelle est votre première tâche ?

Tourner en orbite, atterrir,
observer rapidement les alentours

pour chercher des signes de vie évidents

et envoyer un rapport à la base.

C'est l'étape actuelle.

Nous avons jeté un œil au LHC

pour chercher d'évidentes
nouvelles particules

et nous pouvons dire qu'il n'y en a pas.

On a vu une forme étrange
sur une montagne lointaine,

mais de plus près,
c'était juste un rocher.

Mais que fait-on ensuite ?
On abandonne et s'en va ?

Pas du tout !

Cela ferait de nous
de terribles scientifiques.

Non : on passe plutôt
les décennies suivantes à explorer,

à cartographier le territoire,

à fouiner dans le sable
avec un outil de précision,

à regarder sous chaque pierre,

à creuser sous la surface.

Les particules peuvent
apparaître directement

comme des disparités en évidence,

mais aussi se révéler
après des années de récolte de données.

L'humanité vient juste de commencer
son exploration au LHC

à cette haute énergie

et nous avons encore à faire.

Mais que se passerait-t-il
dans 10 ou 20 ans,

si on ne trouvait toujours pas
de nouvelle particule ?

On construira une machine plus grosse.

(Rires)

On recherchera
à une plus haute énergie.

On recherchera
à des énergies plus élevées.

On planifie déjà la construction
d'un tunnel de 100 kilomètres

où les collisions seraient
dix fois plus énergétiques.

On ne décide pas où se trouvent
les nouvelles particules.

On décide juste de plus explorer.

Et si même avec un tunnel
de 100 kilomètres,

ou un tunnel de 500 kilomètres,

ou un collisionneur de 10 000 km

flottant dans l'espace
entre la terre et la lune,

on ne trouvait aucune particule ?

Notre physique des particules
serait alors peut-être à revoir.

(Rires)

Peut-être que l'on devrait tout repenser.

Peut-être qu'il faudrait plus
de ressources, de technologie, d'expertise

que ce que l'on a maintenant.

L'intelligence artificielle
et l'apprentissage automatique

sont déjà au LHC.

Imaginez une expérience
de physique des particules

utilisant des algorithmes si avancés

qu'elle pourrait s'apprendre à trouver
des gravitons hyper-dimensionnels.

Voici l'ultime question :

et si même l'IA était incapable
de répondre à nos questions ?

Et si ces questions posées
depuis tant d'années

était destinées à rester
sans réponse dans le futur ?

Et si ce qui me dérange
depuis mon enfance

était destiné à rester sans réponse
pour mon existence entière ?

Alors, ce serait...

encore plus fascinant.

On serait obligé de penser
complètement différemment.

On serait obligé de revenir
sur nos suppositions,

pour déterminer
leurs failles potentielles.

Il faudrait que plus de monde
nous rejoigne et étudie la science

car nous avons besoin de nouveaux regards
sur ces problèmes anciens

dont je n'ai pas trouvé les réponses
et que j'étudie encore.

Mais quelqu'un --
peut-être à l'école en ce moment,

peut-être pas encore née --

pourrait nous faire voir la physique
d'une façon vraiment nouvelle,

et nous montrer qu'on pose simplement
les mauvaises questions.

Ce ne serait pas la fin de la physique,

mais un nouveau départ.

Merci.

(Applaudissements)