dimanche 24 mars 2013

Peut-on tordre un peu la relativité générale d'Einstein pour comprendre ce qui ne tourne pas rond dans l'univers ?

// Enquête en cours sur une petite idée qui tourne dans la tête de quelques physiciens ...

Et si le spin tordait un peu l'espace comme la masse le courbe ... ?
Le spin "disparaît" dans l'infiniment petit après la découverte du premier champ scalaire fondamental. Est ce pour mieux revenir dans l'infiniment grand avec une théorie d'Einstein-Cartan, afin d'expliquer :
(à suivre)

vendredi 22 mars 2013

Faut-il craindre de paramétrer l'univers avec deux tiers d'inconnu et un quart d'invisible ?

// méditation et lecture en cours  ...

68,3% d'énergie sombre et 26.8% de matière noire (exactement?)
Voilà les deux paramètres essentiels du modèle cosmologique standard actuel et leurs valeurs telles que mesurées avec précision par le satellite Planck et auxquelles le titre du billet fait allusion ...

"Les astronomes cosmologistes sont souvent dans l’erreur mais jamais rarement dans le doute" 
La lecture pourrait commencer par ce billet écrit sur son propre blog par le populaire mathématicien français Cédric Villani, lequel cite (avec une ou deux erreurs possibles) un fameux physicien russe du passé : Lev Landau.
[...] l’astronomie présente plusieurs caractéristiques remarquables : d’abord la richesse des observations (même au niveau des textes de référence, il est remarquable de voir la place que les traités d’observation occupent aux côtés des traités théoriques); ensuite la quasi-impossibilité de réaliser des expériences, et puis le contraste entre la familiarité apparente des objets que les grands télescopes nous ont montrés (galaxies spirales, planètes avec leurs satellites, anneaux, etc.) et la difficulté que nous avons à les expliquer, menant les astronomes à toutes sortes de contorsions pour expliquer des phénomènes complexes (matière noire ? énergie noire ? Les astronomes sont souvent dans l’erreur mais jamais dans le doute, disait l’immense physicien Lev Landau, jamais en peine d’amabilités pour ses collègues).
Cédric Villani, Le matheux revient (il est toujours vivant) 10/2012

"Je suis certain que le temps est venu de mettre au rencard la citation de Landau" 
Une requette sur la cybersphère plus tard, la citation de Landau semble devoir être amendée, du moins si l'on croit sa version anglaise (il faudrait trouver une éventuelle citation russe), et mène presque naturellement vers une réplique du cosmologiste/astrophysicien américain Michael Turner écrite en conclusion d'un article de Physics Today daté de 2001. Il y justifie l'expression qu'il a forgé de "cosmologie de précision" en   s'appuyant sur des exemples paradigmatiques des succès des modèles astrophysiques comme ceux de la nucléosynthèse stellaire, la nucléosynthèse primordiale associée au Big Bang chaud. Il montre comment des calculs très détaillés de physique nucléaire appliquée à l'astrophysique ont été confirmés plus tard par les mesures, soulignant les contributions de deux astrothéoriciens aujourd'hui disparus : John N. Bahcall et David N. Schramm. L'article commence ainsi :
 Cosmologists are often in error, but never in doubt. —LEV LANDAU
et se termine par ces mots :
Five years ago, in a moment of irrational exuberance, I coined the phrase precision cosmology. Time will tell how true this rings. I am certain that it is time to retire Landau’s quote.
Michael Turner, Two Theorists Never in Doubt 2001
// ajout du 24/03
Pour vérifier que cette thèse a résisté au temps il suffit de poursuivre les recherches, toujours guidé par la sentence de Landau ... Arrêtons nous sur cette seconde source, beaucoup plus récente donc, conservée sur le site arxiv. Il s'agit d'un article publié dans la revue de la société Indienne d'astronomie qui présente - en  autre - l'intérêt de discuter du prix qu'il faut payer pour la précision en cosmologie (par contre les valeurs de pourcentages d'énergie sombres doivent aujourd'hui être révisés) ...

There is a famous quote from Lev Landau, the great Russian physicist of the 20th century, which 
says: “Cosmologists are often in error, but seldom in doubt”!
Unfortunately, Landau passed away in 1968, from the complications of a car accident that he was involved in 6 year earlier, so I wonder whether he ever had a chance to reflect on Penzias and Wilson’s discovery of the CMB. Maybe, if he had, or if he had lived for another decade or so to witness the onset of the renaissance in observational cosmology, he might have revisited his original scepticism. Nevertheless, one often wonders whether there is some wisdom in the words of such great minds that would survive beyond the ages. For me, this rang particularly true in October 1998, when two of the most influential figures in modern cosmology, James Peebles and Michael Turner debated “The Nature of the Universe” in the main auditorium of Smithsonian’s National Museum of Natural History in Washington, DC. The 1998 debate subtitle was “Cosmology Solved?”, and their points of view appeared on the arXiv shortly afterwards (Peebles 1999; Turner 1999). Despite being the early days of precision cosmology (which was a term also 
coined by Turner), and only a few months from the discovery of dark energy from supernovae Ia observations, Turner was very optimistic that the basic tenets of ΛCDM cosmology, along with inflation, will survive further scrutiny. On the other hand, Peebles was more cautious: “We have a well defined, testable, and so far quite successful theoretical description of the expansion: the relativistic Friedmann-Lemaitre cosmological model. The observational successes of this model are impressive but I think hardly enough for a convincing scientific case.”. It appears that, as we discussed above, the influx of observational data over the ensuing decade has validated Turner’s vision of precision cosmology. However, there is a price for this success which is often ignored.

More than 99 percent of today’s energy content of the Universe in the concordance cosmological model is either unidentified, or invisible to us (e.g., see Afshordi 2004; Fukugita & Peebles 2004)! The most  enigmatic component of ΛCDM is Λ or the so-called dark energy, which comprises around 73% of the energy of the Universe today.
Niayesh Afshordi Where will Einstein fail? Lessons for gravity and cosmology 16/03/12

Ainsi donc le prix de la précision ... c'est la vérité crue de notre ignorance (n'en déplaise à C. Villani) que révèlent les termes de matière noire et d'énergie sombre employés dans le modèle cosmologique standard actuel !


Il ne faut pas avoir peur du noir : "On ne doit rien craindre dans la vie, il suffit de comprendre"
C'est ce qu'aurait dit Marie Curie et ses propos sont repris par le blogueur Ethan Siegel dans un billet consacré à la matière noire justement ...

L'existence du Higgs semble aujourd'hui presque établie comme le déficit des neutrinos solaires hier; après l'obscurité vient donc le spectre ... de la lumière ?
Pour ma part je dirais volontiers qu'il ne faut pas confondre astronomes et astrophysiciens, et je m'interrogerais sur le statut particulier de la cosmologie qui est peut être davantage un modèle tout court qu'une discipline scientifique à part entière ...
J'ajouterais que si les physiciens des particules ont mis quasiment cinquante ans pour passer de l'hypothétique mécanisque (A)BEHHGK à la détection d'un boson de Higgs, les astrophysiciens n'ont mis qu'une quarantaine d'années pour valider l'hypothèse du déficit de neutrinos solaires et trouver son origine dans les oscillations de saveurs de ces derniers. Alors laissons nous encore du temps pour comprendre un peu mieux la véritable nature des problèmes que recouvrent les termes:



jeudi 21 mars 2013

De la validation d'un modèle standard à l'autre ...

Planck confirme le modèle standard de l'infiniment grand comme le Higgs confirme celui de l'infiniment petit
On a déjà évoqué il y a quelques temps dans un billet un peu iconoclaste le modèle standard de la cosmologie. Les résultats des mesures du satellite Planck évoqués ce 21 Mars dans le précédent billet déjà, confirment grandement ce modèle, au même titre que la découverte du boson de Higgs est jusqu'à présent une (trop?) parfaite confirmation du modèle standard de la physique des particules.

The Universe observed by Planck is well-fit by a six parameter Lambda- Cold Dark Matter (CDM) model, and we provide strong constraints on deviations from this model. [...]
With the Planck data, we: (a) firmly establish a deviation from scale invariance for primordial matter perturbations, a key indicator of cosmic inflation; (b) detect with high significance lensing of the CMB by intervening matter, providing evidence for dark energy from the CMB alone; (c) find no evidence for
significant deviations from Gaussianity in the statistics of CMB anisotropies; (d) find a low value of the Hubble constant, in tension with the value derived from the standard distance ladder; (e) find a deficit of power at low-`s with respect to our best-fit model; (f) confirm the anomalies at large angular scales first
detected by WMAP; and (g) establish the number of neutrino species at three.
In summary, the Planck data are in remarkable accord with a flat CDM model; however, there are tantalizing hints of tensions both internal to the Planck data and with other data sets.
While such tensions are model-dependent, none of the extensions of the CDM cosmology we explored resolve them. It is to be hoped that more data and further analysis will shed light on these areas of tension. [...]
These results highlight the maturity and high precision being achieved in our understanding of the Universe, and at the same time herald a new era in which we can no longer ignore tiny but significant deviations at low `s from our current standard model.
L'Univers observé par Planck est en bon accord avec le modèle standard de la cosmologie à six paramètres incluant une constante cosmologique et de la matière noire froide (Lambda-CDM) modèle, et nous fournissons des contraintes fortes sur les écarts par rapport à ce modèle. [...]
Avec les données de Planck: (a) nous avons clairement mis en évidence un écart à l'invariance d'échelle des fluctuations primordiales de densité de matière, un indicateur clé de l'inflation cosmique; (b) nous avons détecté avec une grande fiabilité l’effet de lentilles gravitationnelles sur le fond diffus cosmologique (CMB) de la matière en question, apportant la preuve de l’existence de l'énergie sombre sur la seule base du CMB; (c) nous n’avons pas trouvé de preuve d’un écart significatif à la gaussianité dans la statistique des anisotropies du CMB; (d) nous avons trouvé pour la constante de Hubble une valeur faible, en tension avec la valeur déduite de l'échelle de distance standard; (e) nous avons trouvé un déficit de puissance aux faibles valeurs de l par rapport à notre meilleur ajustement du modèle; (f) nous avons confirmé les anomalies aux grandes échelles angulaires détectées précédemment par WMAP, et (g) nous avons établi que le nombre d'espèces de neutrinos est égal à trois.
En résumé, les données de Planck sont en accord remarquable avec un modèle d’univers plat dans le cadre du Lambda-CDM, mais il y a des indices de tensions intéressants, certains internes aux données de Planck et d'autres liées aux sources de données extérieures. Le fait que ces tensions dépendent du modèle étant posé, aucune des extensions de la cosmologie au delà du modèle standard que nous avons explorées ne les résout. Il est à espérer que davantage de données et une analyse plus approfondie fera la lumière sur ces zones de tension. [...]
Ces résultats mettent en évidence la maturité et la grande précision atteinte dans notre compréhension de l'Univers, et en même temps annoncent une nouvelle ère dans laquelle nous ne pouvons plus ignorer les écarts minuscules mais significatifs au modèle standard actuel pour les faibles valeurs de l.
P.A.R Ade et al,Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results 21/03/2013



Après la masse du Higgs passons à l'action de Planck !

Où le blogueur attend les résultats des dernières mesures du satellite Planck ...
Si le site de l'agence européenne de l'espace ESA veut bien nous faire profiter des joies du streaming ... comme promis par Andrew Jaffe sur son blog:

[...] the main Planck press conference will be held on the morning of 21 March at 10am CET at ESA HQ in Paris. There will be a simultaneous UK event (9am GMT) held at the Royal Astronomical Society in London, where the Paris event will be streamed, followed by a local Q&A session. (There will also be a more technical afternoon session in Paris.)
Probably more important for my astrophysics colleagues: the Planck papers will be posted on the
ESA website at noon on the 21st, after the press event, and will appear on the ArXiV the following day, 22 March. Be sure to set aside some time next weekend! 
[...] la principale conférence de presse sur les résultats de la mission Planck aura lieu le matin du 21 Mars à 10h heure locale au Siège de l'ESA à Paris. Il y aura un événement simultané au Royaume-Uni (9h GMT) qui se tiendra à la Royal Astronomical Society à Londres, où l'événement parisien sera diffusé, suivi d'une session locale de questions et réponses (il y aura également une séance plus technique à Paris l'après-midi).
Probablement plus important pour mes collègues astrophysiciens : les articles sur Planck seront déposés sur le site de l'ESA, le 21 à midi, après la conférence de presse et apparaîtront sur arXiv le lendemain 22 Mars. Assurez-vous de mettre de côté un certain temps pour le prochain week-end
 Andrew Jaffe, Blog Leaves on the Line, Breaking the silence (updated) 05/03/13


... pour savoir (entre autre) combien y a-t-il effectivement de neutrinos dans l'Univers
Cette problématique est très bien illustrée par un billet récent du blog Resonaances.
The interest of particle physicists in Neff come from the fact that, until recently, the CMB data also pointed at Neff≈4 [...]. The impact of Neff on the CMB is much more contrived, and there are many separate effects one needs to take into account. For example, larger Neff delays the moment of matter-radiation equality, which affects the relative strength and positions of the peaks. Furthermore, Neff affects how the perturbations grow during the radiation era, which may show up in the CMB spectrum at l ≥ 100. Finally, the larger Neff, the larger is the effect of Silk damping at l ≥ 1000. Each single observable has a large degeneracy with other input parameters (matter density, Hubble constant, etc.) but, once the CMB spectrum is measured over a large range of angular scales, these degeneracies are broken and stringent constraints on Neff can be derived. That is what happened recently, thanks to the high-l CMB measurements from the ACT and SPT telescopes, and some input from other astrophysical observations. The net result is that from the CMB data alone one finds Neff = 3.89 ± 0.67, while using in addition an input from Baryon Acoustic Oscillations and Hubble constant measurements brings it down Neff = 3.26 ± 0.35. All in all, the measured effective number of relativistic degrees of freedom in the early Universe can be well accounted for by the three boring neutrinos of the standard model. Well, life's a bitch. The next update on Neff is expected in March when Planck releases its cosmological results, but the rumor is that it will do nothing to cheer us up.

Update: as pointed out by a commenter, there's a rumor that the WMAP-9 analysis has a bug, and when it's corrected Neff increases significantly. So don't throw your sterile neutrinos models into a fire yet.
Update #2: the bug was fixed in
v2. The new number is Neff = 3.84 ± 0.40, consistent within 2 sigma with the standard model, but leaving some room for hope. 
L'intérêt des physiciens des particules pour le nombre de neutrinos effectif  (Neff) vient du fait que, jusqu'à une date récente, les données du fond diffus cosmologique (CMB) favorisaient Neff ≈ 4 [...]. 

Mise à jour: comme l'a souligné un intervenant, il y a une rumeur selon laquelle l'analyse de WMAP-9  a un bug et quand il est corrigé la valeur de Neff augmente de manière significative. Alors ne jetez pas vos modèles de neutrinos stériles au feu pour le moment.
Mise à jour n° 2: le bug a été corrigé dans la version v2. La nouvelle valeur est Neff = 3,84 ± 0,40, en conformité à moins de 2 sigma avec le modèle standard, mais laissant une certaine place à l'espoir.
Blog Resonaances,  How many neutrinos in the sky? 18/01/2013

 Où l'on voit:
  • à travers les deux mises à jour du billet, que si l'information scientifique circule vite il faut parfois être prudent et patient pour juger de la qualité et la validité des résultats annoncés,
  • à travers le remerciement à un commentateur, que le web 2.0 en général et un blog en particulier est un outil collaboratif où les informations se trouvent parfois aussi dans les commentaires et pas seulement dans les billets (lorsque le blog est de qualité)!

Et la réponse est ... 3!
Et voilà 23 articles mis en ligne comme prévu sur le site de l'ESA! Allons tout de suite voir les conclusions générales ... ou plus précisément le résumé des conclusions qui se trouve d'abord (comme tout bon article de recherche) à la fin de l'introduction :


With the Planck data, we [...] establish the number of neutrino species at three. [...]
avant d'être confirmé dans le corps du texte par cette affirmation intéressante (décevante) pour la physique des astroparticules
We find no evidence for extra relativistic species, beyond the three species of (almost) massless neutrinos and photons

mardi 19 mars 2013

Après tout le Higgs n'était peut-être pas la bien ou mal nommée "particule de Dieu" ...

Un quantum d'obstination (9)

... mais seulement un messager venu de l'infiniment petit ? Il reste alors à attendre un heureux évènement venu de l'infiniment grand (voir billet précédent) ou bien, s'il n'y a rien, mieux comprendre le sens spectral du messager ...

Bonjour la Terre ici AMS 02 prêt à prendre la relève (relever le défit ?)

Dans l'espace le soleil ne se couche jamais
(Il est minuit heure française)
Ce soir  on pouvait lire entre autre chose ceci dans le dernier billet du blog Quantum Diaries :
Hello world, this is AMS, reporting for duty.
(I just bet Sam Ting goes to sleep with a little smirk on his face every night: Ha, told you so.)
 Bonjour tout le monde, AMS au rapport, prêt à travailler.
(Je parie que Sam Ting part dormir avec un petit sourire aux lèvres tous les soirs: Ah, je vous l'avais bien dit.)
 Karen Andeen Particle physics…in space? 18/03/13

Le plus cher détecteur (américain?) pour capter les particules du plus grand accélérateur (celui de Dieu?)
// Ajout à midi le même jour
Naturellement il faut lire tout le billet pour décoder une partie au moins de ces propos (sybillins ?)
À suivre aussi et surtout ... les nouvelles très attendues du spectromètre magnétique alpha autrement dit notre* (plus) cher détecteur de particules dans l'espace, dont on a déjà parlé ici.

En attendant voici une petite animation du montage du détecteur sur la station spatiale internationale (opération effectuée par la vingt-cinquième et dernière mission de la navette spatiale Endeavour le 20 mai 2011) :
 
 source AMS-02 NASA
  
* Ce nous collectif englobe bien sûr tous les passionnés de rayons cosmiques en particulier (laquelle a offert à la physique sa première particule d'antimatière sous la forme d'un positron, lesquels sont détectés par AMS) et les enthousiastes des astroparticules (qui espèrent identifier bientôt la trace d'un nouveau type de particules associées qui pourraient expliquer la matière noire) en général, mais l'information suivante apporte aussi un éclairage intéressant sur AMS: 
En 1995 le physicien américain Samuel Ting, prix Nobel de physique 1976 et membre du MIT, propose à la NASA, suite à l'annulation du projet américain d'accélérateur de particules SSC, d'installer à bord de la Station spatiale internationale un instrument mesurant l'antimatière présente dans l'univers. Celui-ci doit analyser les rayons cosmiques qui sont en grande partie interceptées par l’atmosphère terrestre. Dans l'espace l'instrument envisagé de grande sensibilité devrait disposer de capacités uniques. La proposition de Ting est acceptée par l'agence spatiale américaine, qui est à la recherche et Ting est nommé responsable scientifique du projet 2. L’instrument utilise des technologies déjà mises en œuvre en physique des hautes énergies dans les expériences de physique nucléaire et de physique des particules ainsi qu'en astrophysique. Toutefois il s’agit du premier spectromètre magnétique envoyé dans l’espace ce qui impose à sa conception de nombreuses contraintes.
page Wikipédia Spectromètre magnétique Alpha
(c'est le blogueur qui met en gras).
Ainsi le "notre" précédent englobe peut-être bien les Etats-Unis tout entier puisque d'une certaine manière ce détecteur est pour cette fière nation "le plus grand" encore en fonctionnement, quant-à l'accélérateur qui produit les rayons cosmiques il est quelque part dans le ciel au delà des étoiles, peut-être au coeur de la galaxie voir plus loin encore, bref tout prêt de Dieu ... 


dimanche 17 mars 2013

Et si chaque physicien faisait un voeu pour le premier boson de Higgs ?

Un quantum d'obstination (8) ...
... pour un quantum d'interaction (?)

C'est un secret pour personne : les physiciens ont bel et bien leur premier boson de Higgs
Tous les blogs scientifiques en ont parlé la semaine qui vient de s'écouler et le site internet du LHC le confirme : 
Aujourd’hui, les collaborations Atlas et CMS du LHC ont présenté de nouveaux résultats préliminaires précisant encore les propriétés de la nouvelle particule découverte en juillet 2012 et celle-ci ressemble de plus en plus au boson de Higgs tant recherché. Cette annonce a été faite lors des Rencontres de Moriond qui se déroulent actuellement à La Thuile en Italie. 
Une particule qui ressemble de plus en plus au boson de Higgs 14/03/13

Le blogueur amoureux de faits et de théories scientifiques est toujours pressé d'en (s)avoir plus 
Aussi pose-t-il des questions ou essaie de susciter des réactions en écrivant des commentaires sur d'autres blog :
So it seems now that we have found the first not composite (fundamental?) not pseudo (even parity) not spin half or one or two (scalar) boson of the standard model.
From a phenomenological point of view, low scale supersymmetry seems in danger. Ok, let's wait and listen to the Mother Nature Oracle in the near future (Susy in the sky with AMS-02 ?) 
Now a posteriori (from an "epistemological" point of view) could a "connoisseur" draw us a sane conclusion (not predicting the Apocalypse) about the fact that the vacuum stability constraint seemed to be the most efficient way to postdict the Higgs mass (as far as I understand it) ?
cb, commentaire sur le Blog Resonaances du billet When shall we call it Higgs? 27/02/13

The most boring version of the Higgs ? Come on, falks! Have a closer look on its mass ... Let's remember Jean Iliopoulos :
THE ABSENCE OF A LIGHT HIGGS IMPLIES NEW PHYSICS
BUT A LIGHT HIGGS IS UNSTABLE WITHOUT NEW PHYSICS(*)
... and instead of looking for another job why not scanning other serious alternative theories not necessary incompatible with supersymmetry and going beyond the standard model (with non-commutative geometry for example)
cb, commentaire sur le Blog Resonaances du billet Higgs: what's new 16/11/12

Interroger la toile 
Si la réponse à la question posée ne vient pas dans les commentaires suivants du blog, elle est peut-être à chercher parmi ceux d'un autre blog ...
That the Higgs mass seems to sit exactly at the border of SM consistency is interesting, and reminds me of a similar phenomenon in another part of physics. In the 1940s Lars Onsager proved some inequalities that critical exponents must obey for consistency. Twenty years later people found that these inequalities were in fact identities, i.e. critical exponents are on the border of being inconsistent. The underlying reason for this is scale symmetry.
Extrapolating this observation to the SM, the fact that Higgs seems to be borderline inconsistent could indicate that some symmetry principle is at work ...
Thomas Larsson, commentaire sur le blog Not Even Wrong du billet Disappearing gammas 14/03/13

Questionner les étoiles e(s)t (ce) s'en remettre au Ciel ?
Parmi toutes les théories, il en est une plus chère que d'autres au coeur du blogueur, aussi  lui arrive-t-il de s'enhardir à interroger directement celles et ceux qui la construisent et l'ont imaginée. Voici par exemple un commentaire récemment proposé mais non diffusé par le blog Noncommutative geometry à propos du billet The music of spheres écrit par Alain Connes:
Cosmology is already spectral and quantum (I think Cosmic Microwave Background data and analysis are a good and strong enough phenomenological proof of this claim).
Now :
  • from the correct (first elementary scalar) Higgs boson mass postdiction by the resilient spectral standard model,  
  • and from the plausible existence of a second scalar field responsible for the neutrino Majorana masses (explaining their oscillations and small masses) that is a strong prediction of the same almost-commutative model, 
can we expect the emergence of a genuine almost-commutative phenomenology for astroparticles (and cosmology)? If the LHC is not supposed to discover any new elementary particle in its energy range our eyes need to look for more powerful accelerators somewhere in the Sky ... and we urgently need for the best ears to listen carefully to the spectral Music from the Cosmos.

Révéler son voeu lorsqu'il est (peut-être) en train de s'exhausser  
Le blogueur n'est pas un amoureux transi et il arrive que non seulement ses espoirs mais ses propos aussi trouvent un écho dans la réalité et une place sur la blogosphère :
Bravo M. Connes to pursue you and your collaborators and "followers" the patient and difficult "distillation" of the standard model in the alembic of non-commutative geometry while experimental physicists at LHC and over the seas accomplish their own meticulous "vendange" (harvesting) of facts about elementary particles. I hope the "récoltes" (harvest) of new theoretical results with an experimental validation linked to the first uncovered scalar field (the Higgs) will help improve our understanding of gravity on very large spatial and time scales ! Last but not least I wish to thank you for sharing with us some of your feelings (enthusiasm and doubt) as well as your ideas in blog, videos, seminars and conferences. They are indispensable and invaluable "semailles" (sowing) for the future of fundamental physics …
 cb, commentaire sur le Blog Noncommutative geometry du billet A dress for the beggar 14/08/12

Toi aussi ami lecteur de passage, fait ton voeu en commentaire ;-) /   You too, dear reader, make a wish (and don't hesitate to write it here as a comment) !

mercredi 6 mars 2013

Danse (médiatique) avec les ombres (spectrales) de la matière noire (ou sombre) ...

Sans commentaire // ou presque (11)

Un sombre et profond mystère, bleu comme la matière noire  
// Est ce que les astrophysiciens ont des preuves que la matière noire existe vraiment? 2006 fut marquée par une annonce qui eut un certain écho médiatique.

L'amas de galaxies 1E 0657-56 [visible ci-dessus] résulte de la collision de deux amas de galaxies. Les 2 blocs roses sont les gaz chauds détectés par [le telescope spatial] Chandra en rayons X et contiennent la majeure partie de la matière normale ou baryonique dans les deux amas. Le bloc en forme de boule du côté droit représente les gaz chauds d'un amas, qui ont traversé les gaz d'un autre amas lors de la collision. Une image optique de Magellan et de Hubble montre les galaxies en orange et blanc. Les zones bleues sont les endroits où les astronomes ont trouvé la plus grande partie de la masse dans les amas. Cette concentration de la masse est détectée en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle, par lequel la lumière des objets éloignés est déformée par la matière intervenante. La majeure partie de la matière dans les amas (bleues) est clairement séparée de la matière normale (rose), fournissant le preuve directe que pratiquement toute la matière dans les amas est constituée de matière noire.
Techno-science.net, Découverte de la première preuve directe de la matière noire 22/08/06

L'amas de galaxies 1E0657-56, dit encore le « bullet cluster », est en fait un groupe de deux amas de galaxies entrés en collision il y a 150 millions d’années. Le « bullet cluster », ou encore « amas du boulet » et même « amas de la boulette » pour certains astrophysiciens, est devenu célèbre en 2006. Des chercheurs comme Maxim Markevitch ont annoncé alors qu’il constituait une preuve extrêmement convaincante de l’existence de la matière noire et, au contraire, une objection redoutable contre la théorie MOND invoquée comme explication alternative à cette même matière noire pour les courbes de rotation des galaxies et la stabilité des amas de galaxies.
Futura-Sciences.com Bullet cluster 2006 
We present X-ray and weak lensing observations of the merging cluster system 1E0657−556. Due to the recently collision of a merging subcluster with the main cluster, the X-ray plasma has been displaced from the cluster galaxies in both components. The weak lensing data shows that the lensing surface potential is in spatial agreement with the galaxies (∼ 10% of the observed baryons) and not with the X-ray plasma (∼ 90% of the observed baryons). We argue that this shows that regardless of the form of the gravitational force law at these large distances and low accelerations, these observations require that the majority of the mass of the system be some form of unseen matter. 
Nous présentons des observations en rayons X et via l'effet de lentille gravitationnelle du système d'amas de galaxies en coalescence 1E0657-556. En raison de la collision récente d'un sous-groupe d'amas avec le groupe principal, le plasma émettant en rayons X a été séparé des galaxies de l'amas en deux composantes. Les données par effet de lentille gravitationnelle montre que le potentiel de surface lenticulaire coïncide spatialement avec les galaxies (~ 10% des baryons observés) et non pas avec le plasma émettant en rayons X (~ 90% des baryons observées). Nous soutenons que cela montre que quelle que soit la forme de la loi de force gravitationnelle à ces grandes distances et pour des accélérations faibles, ces observations nécessitent que la majorité de la masse du système soit constituée d'une certaine forme de matière invisible.  
D. Clowea, S. W. Randallb et M. Markevitch, Catching a bullet: direct evidence for the existence of dark matter 15/11/06

Mais est ce que cette preuve peut vraiment être qualifiée de directe? En 2012 la question est manifestement posée par une étude approfondie sur un autre amas de galaxies (Abel 520) qui remet en cause les propriétés de la matière noire lesquelles deviennent donc ... moins claires.

         
Sur cette photo composite on voit en vert les émissions dans le domaine des rayons X vues par Chandra, en bleu la distribution de matière noire déduite par effet de lentille gravitationnelle des observations de la Wide Field Planetary Camera 2 équipant le télescope Hubble, en orange la distribution de lumière stellaire vue par le CFHT associée aux amas de galaxies de Abell 520. © Nasa, Esa, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis) et A. Mahdavi (San Francisco State University)
Futura-Sciences.com Matière noire : les astrophysiciens sont perplexes devant Abell 520 07/03/12

We present a Hubble Space Telescope/Wide Field Planetary Camera 2 weak-lensing study of A520, where a previous analysis of ground-based data suggested the presence of a dark mass concentration. We map the complex mass structure in much greater detail leveraging more than a factor of three increase in the number density of source galaxies available for lensing analysis. The "dark core" that is coincident with the X-ray gas peak, but not with any stellar luminosity peak is now detected with more than 10 sigma significance. The 1.5 Mpc fi lamentary structure elongated in the NE-SW direction is also clearly visible. Taken at face value, the comparison among the centroids of dark matter, intracluster medium, and galaxy luminosity is at odds with what has been observed in other merging clusters with a similar geometric con guration. To date, the most remarkable counter-example might be the Bullet Cluster, which shows a distinct bow-shock feature as in A520, but no signi cant weak-lensing mass concentration around the X-ray gas. With the most up-to-date data, we consider several possible explanations that might lead to the detection of this peculiar feature in A520. However, we conclude that none of these scenarios can be singled out yet as the de finite explanation for this puzzle.
Nous présentons une étude de l'amas A52 par effet de lentille gravitationnelle grâce à la caméra planétaire 2 à grand champ du télescope spatial Hubble - une précédente analyse à base de données obtenues du sol suggéraient la présence d'une concentration de masse noire. Nous avons cartographié la structure de masse complexe beaucoup plus en détail améliorant d'un facteur trois la densité de galaxies lenticulaires sources disponibles pour l'analyse. Le «noyau sombre» qui coïncide avec le gaz ayant un pic de rayonnant dans les X, mais qui ne coïncide avec aucun pic de luminosité stellaire est maintenant détecté avec une précision statistique au delà de 10 sigma. La structure filamentaire allongée dans la direction NE-SO de 1,5 Mpc de long est aussi clairement visible. À première vue, la comparaison entre les centres de gravité de la matière noire, du milieu intra-amas et de la matière stellaire galactique est en contradiction avec ce qui a été observé dans d'autres groupes d'amas en cours de fusion ayant une configuration géométrique similaire. À ce jour, le plus remarquable contre-exemple pourrait être l'amas du Boulet qui montre une nette onde de chocs, comme dans A520, mais pas de concentration significative de masse- visible par effet de lentilles autour du gaz émettant en X. Avec les données les plus à jour, nous proposons plusieurs explications possibles qui pourraient conduire à la détection de cette particularité de A520. Cependant, nous concluons qu'aucun de ces scénarios ne peut être retenu plus qu'un autre à ce jour pour expliquer cette énigme.
M. J. Jee et al. A STUDY OF THE DARK CORE IN A520 WITH HUBBLE SPACE TELESCOPE: THE MYSTERY DEEPENS 28/02/12


Comme on le voit il n'y a pas de consensus sur la nature exacte de la matière noire ... si ce n'est semble-t-il sur le code (de fausse) couleur (bleue) utilisé pour représenter son hypothétique localisation spatiale sur de spectaculaires images composites !

Apparition et/ou disparition spectrales de la fantomatique matière noire
// ajout du 15/03/13
Un autre exemple de controverses autour de la possible observation indirecte de matière noire au coeur de notre galaxie cette fois :
We discuss the possibility that the recent detection of 511 keV γ-rays from the galactic bulge, as observed by INTEGRAL, is a consequence of low mass (∼MeV) particle dark matter annihilations. We discuss the type of halo profile favored by the observations as well as the size of the annihilation cross section needed to account for the signal. We find that such a scenario is consistent with the observed dark matter relic density and other constraints from astrophysics and particle physics.

Céline Boehm et al, MeV Dark Matter: Has It Been Detected? 06/10/03

Assuming Galactic positrons do not go far before annihilating, a difference between the observed 511 keV annihilation flux distribution and that of positron production, expected from β+-decay in Galactic iron nucleosynthesis, was evoked as evidence of a new source and a signal of dark matter. We show, however, that the dark matter sources cannot account for the observed positronium fraction without extensive propagation. Yet with such propagation, standard nucleosynthetic sources can fully account for the spatial differences and positronium fraction, leaving no new signal for dark matter to explain.

The high positron production rate required to explain the flux of 511 keV gamma rays from the galactic center has inspired many models in which dark matter creates positrons. These models include the annihilation of light dark matter and scattering of dark matter with excited states (exciting dark matter). We show that existing cosmic microwave background data robustly constrains such models when the annihilation or scattering cross section is not velocity suppressed depending on the model of the galactic dark matter halo. Upcoming data from the Planck mission can exclude the fiducial Via Lactea II halo model, which also provides a good fit to the 511 keV morphology. We additionally find combined constraints on exciting dark matter scattering and annihilation and update constraints on the lifetimes of dark matter excited states. Finally, we apply constraints to models of dark matter decay in which produced positrons fall into the galactic center and produce the 511 keV signal on their annihilation, demonstrating that most of the parameter space of interest is ruled out.
Andrew R. Frey et Nicholas B. Reid, Cosmic Microwave Background Constraints on Dark Matter Models of the Galactic Center 511 keV Signal   16/01/13

La recherche de la matière noire : l'oeuvre au noir du cosmologiste dans son modèle standard ?
// Les échos de(s controverses sur) la matière noire ne parcourent pas seulement les espaces infinis mais (laissent) aussi  (des traces sur) la blogosphère. Dans ce billet par exemple, daté de 2010 et tiré du blog Starts with a Bang! d'Ethan Siegel, ce dernier propose une défense argumentée de l'existence de la matière noire dans le cadre du modèle standard de la cosmologie suite à un évènement médiatique qu'il présente de la façon suivante :

I am compelled to tell you all of this today. Why? Because over in Germany, one of the mostmedia-visible scientists, Pavel Kroupa, has been harping on the galactic-scale successes of MOND, and touting it as a superior alternative to dark matter. In addition to a number of press releases, he’s even started his own blog on the SciLogs network, The Dark Matter Crisis.
His writing is focused on this one issue in many different incarnations: the incorrect predictions of dark matter halos, in the detail of their density profiles, on scales of a single galaxy and smaller.
I’m not saying that there isn’t something to be learned from MOND, but I am saying that it isn’t a better explanation for anything except the dynamics of an individual galaxy than dark matter. But it was designed to explain the dynamics of an individual galaxy. Until you manage to accomplish something else with MOND, I’m not only going to support dark matter, I’m going to keep you honest about your claims of what MOND does and dark matter doesn’t do. It’s important to consider alternatives to the standard theories, to be sure, but not to do it at the expense of all of your evidence.
Ethan Siegel, “The Dark Matter Crisis?” Hardly 23/07/10


La polémique se poursuit jusqu'à ce jour comme on le découvre sur ce billet plus récent du blog The Dark Matter Crisis qui met en cause le précédent blogueur :
Scientists who publish their research in scientific journals, who go through the peer-review process and who in the end publish slightly unorthodox but nonetheless valuable ideas, should not be censored from the science blogosphere.
Unfortunately, this is what happened to our blog, The Dark Matter Crisis.
A popular science blogger demanded that SciLogs.com discontinue our blog and has, for a short time, succeeded. We would like to use this occurrence as an example of the reactions and difficulties faced when doing online communication of controversial science topics. The incident demonstrates why debate in science must be based on objective facts and not be driven by personal opinions. It illustrates the dangers of mixing scientific convictions with personal goals and emotions.
Marcel S. Pawlowski, The Dark Matter Crisis continues: on the difficulties of communicating controversial science 08/03/13

Quand aux chasseurs de matière noire ils ont aussi (au moins) un site internet clairement identifié Dark Matter Hunters grâce auquel on peut s'informer sur les avancées les plus récentes dans le domaine. Dans la rubrique Outreach (vulgarisation) on peut découvrir via l'article le plus récent à ce jour cet intéressant commentaire sur la situation actuelle :
I think the universe is vast. It's often beyond the reach of our instruments and our minds, but we are at a point in time here where we really think we understand it and that we can identify what dark matter is. We have an accounting of the universe and a compelling hypothesis for dark matter. It is not unexpected that the younger generation of scientists wants a more radical solution to dark matter. The older generation developed the WIMP hypothesis, and this is our solution and we want to see it come true. The younger generation wants the excitement of solving a problem.
Michael Turner 10/2012

Les dernières nouvelles de la matière noire  ...
... avant celles d'AMS 02 (?) et de Planck qui ne devraient plus tarder .









mardi 5 mars 2013

Lubos, mon cher Lubos, ne vois tu rien venir ?

Dialogue imaginaire avec un autre blogueur (1)

// Dame Nature me fait parfois penser au terrible Barbe Bleu et le bestiaire des particules pas (encore) "vues" à toutes ses épouses mystérieusement disparues dont les dépouilles sont cachées dans une pièce de son château, pièce qu'une ingénue et dernière épouse finit par découvrir. Pour filer la métaphore je me demande si le Higgs n'est pas d'une certaine manière cette dernière épouse ... Alors la question suivante, enfantine et donc cruelle et naïve, serait naturellement: quels sont les noms des précédentes défuntes? 

En attendant voici quelques éléments de réponse possible à la question posée dans le titre du billet :

... The invariant masses of the pairs of mesons where this shocking thing occurs are either several GeVs or around 15GeV. Bizarre. Next time when you hear that the LHCb excludes all new physics, don't forget that quite some breathtaking results have been swept under the rug if not fully censored when such a bold negative statement was made...
In the aggressive case, these asymmetries could be signs of some new – perhaps supersymmetric – particles. Perhaps the same particles that make up the dark matter and that could be announced this or next week. Perhaps sgluinos in some extended gauge sector. Adam Davis proposes a conservative competing theory involving "just a partial interference" of the quantum amplitudes for different processes. I am not sure I understand what it means even though I also believe that the deviation is pretty likely to be due to some incorrect calculation of the predictions, a forgotten subtlety.
Lubos Motl, LHCb: 7-σ and 9-σ anomalies in CP-violation 04/03/13 
March 2013 is expected to be a great dark matter month, especially due to the eagerly expected results from AMS-02 that may emerge as early as the next week (ANTARES has seen nothing a few days ago). Joseph S. has brought my attention to an excellent astro-ph paper by Tracy Slatyer (IAS) and Dan Hooper (FNAL)
that eliminates all doubts that the authors belong among the very top of the world's astroparticle physics. They looked at the spectrum of the Fermi bubbles – that Tracy co-discovered – and decided to write down the most natural model(s) that explain(s) the observer spectrum. What the models depend upon – and what the observations should therefore clarify – is what is the spectrum of electrons, the radiation, and masses and dominant decay channels of hypothetical dark matter particles that team up to produce the spectrum.
... this radiation seems to be consistent with the annihilation of dark matter particles! It's either due to 10GeV dark matter particles pair-annihilating into lepton pairs or due to50GeV dark matter particles annihilating into quark-antiquark pairs. They seem to propose two comparably likely scenarios for the possible mass and dominant interactions of the dark matter particles.
Note that none of these two scenarios should be new to the TRF readers. A possible 10GeV dark matter particle has been discussed many times in the context of the "Is Dark Matter Seen" war between the direct search experiments. The allies in the "Dark Matter Is Seen" coalition do generally claim that they see collisions with numerous 10GeV or sub-10GeV dark matter particles. The "Dark Matter Is Not Seen" axis is vehemently rejecting all these assertions.
However, even dark matter particles around 50GeV have previously been spotted by careful TRF readers. In January 2012, I mentioned thatVirgo favored a 20−60GeV dark matter particle. This was based on a fresh preprint by Han et al. who looked into Virgo, Fornax, and Coma clusters through the Fermi satellite and concluded something remarkably similar to Slatyer and Hooper: there is either a 20−60GeV dark matter particle annihilating into bb¯ quark pairs, or a 2−10GeV dark matter particles annihilating into μ+μ−.
Lubos Motl, Bubbles support 10GeV or 50GeV dark matter 01/03/13


dimanche 3 mars 2013

Post Higgs, physicien (naturellement) triste ?

Un quantum d'obstination (7)

Entrer dans une nouvelle pièce (aller au delà du Modèle Standard) ...
Le fol espoir des physiciens des particules est de découvrir des phénomènes qui ne sont pas prédits par le Modèle Standard (MS) de leur discipline. Or la découverte (attendue) du boson de Higgs au LHC est semble-t-il pour le moment une déception pour une bonne partie d'entre-eux car la nouvelle particule se comporte pour le moment assez précisément tel que le MS le prévoyait. 
Pour mieux appréhender le sens de la situation il faut rappeler ce bon mot de John Ellis, l'une des grandes figures de la physique au CERN et l'un des promoteurs des théories de grande unification : alors que Margaret Thatcher lui demandait ce qu'il faisait lui et ses collègues, il expliqua qu'ils effectuaient beaucoup de calculs et un bon paquet de prédictions tout en espérant que les expériences mettent en évidence quelque chose d'autre. La première ministre de Grande-Bretagne de l'époque l'interrogea alors pour savoir s'il ne valait pas mieux pour eux qu'ils trouvent ce qu'ils étaient censés chercher. Ellis fit cette réponse :
No. Then we would not discover anything interesting
Non car alors nous ne découvririons rien d'intéressant.
Or c'est justement le sentiment d'une majorité de théoriciens d'après ce que l'on peut lire sur les blogs spécialisés et comme on l'a déjà rapporté ici dans de précédents billets.


... avec une clé (la supersymétrie) qui ouvrirait la serrure attendue (expliquerait naturellement la masse trop faible des bosons de Higgs) 
Dans une théorie qui contient des champs scalaires élémentaires, comme c'est le cas du Modèle Standard qui requiert la présence du boson scalaire de Higgs, il n'y a aucun mécanisme naturel pour éviter que les masses des scalaires ne soient pas du même ordre de grandeur que l'échelle [des théories de Grande Unification] GUT. En effet, les corrections radiatives aux masses des bosons de Higgs sont proportionnelles à l'échelle d'unification. A moins de faire un réglage très fin et absolument non-naturel des paramètres du potentiel scalaire, le boson de Higgs aura tendance à avoir une masse de l'ordre de 1016 GeV . Or on sait que le boson de Higgs doit avoir une masse plus petite que O(1TeV) pour éviter que le secteur bosonique de la théorie n'interagisse trop fortement. Les théories supersymétriques SUSY nous donnent une solution naturelle à ce problème: les divergences quadratiques dues aux contributions des particules standard et des particules SUSY s'annulent entre elles automatiquement. Toutefois, la divergence résiduelle sera proportionelle à la différence de masse entre les particules standards et supersymétriques. Il ne faudrait donc pas que cette différence soit beaucoup plus grande que l'échelle de Fermi [électrofaible] sinon le problème est réintroduit de nouveau.
Abdelhak Djouadi Motivations théoriques 07/071998

... pour se retrouver évidemment devant une nouvelle porte (pourquoi la supersymétrie est brisée?)
Dans le MS, la brisure spontanée de la symétrie électrofaible a une origine assez obscure: on met une masse carrée négative au champs scalaire à la main, avec pour conséquence le développement d'une valeur moyenne non-nulle sur le vide et la brisure spontanée de la symétrie. Dans les théories supersymétriques, ce mécanisme peut être généré de manière assez naturelle: à l'échelle GUT, le champs scalaire a une masse carrée positive, mais [à cause de la masse assez élevée du quark top entre autre chose] en évoluant vers les basses énergies, la masse carrée devient négative et induit de manière naturelle la brisure spontanée de la symétrie électrofaible. C'est ce qu'on appelle la brisure radiative de la symétrie électrofaible. Toutefois, le problème est translaté un cran plus haut, puisque le mécanisme de brisure de la Supersymétrie elle même n'est pas connu de manière précise.
ibid.

A moins qu'il y ait une autre serrure (un quark stop à découvrir) sur la première porte et qu'il faille donc (encore) une autre clé (un mécanisme de mélange de saveurs pour expliquer sa masse plus grande qu'attendue ?) ...
Now that the Higgs boson has been discovered [1, 2], naturalness becomes the most pressing question within reach of the LHC. The spectre of unnaturalness, after making its first apparition with the cosmological constant, is now looming behind the Higgs boson, as no new physics has been sighted at the LHC. Casting the final verdict on naturalness is one of the main tasks of the high-energy run at 14 TeV. Since the main contribution that destabilises the electroweak scale in the Standard Model (SM) comes from a top-quark loop, the key for addressing the naturalness problem at the LHC is the identfication of the top partner that is responsible for cancelling the quadratic divergence. The top partner can be a scalar particle (such as the stop, in the case of supersymmetry) or a fermion (as in the case of composite Higgs models). The hunt for the top partner, which is actively pursued at the LHC, is the most direct way to test the idea of naturalness for the electroweak scale ... 
Let us conclude by stressing that the implications of stop-scharm mixing studied in the present paper hold well beyond the minimal supersymmetric scenario. The phenomenology of squark flavour mixing and their decay into quarks are common to a large class of supersymmetric models. Hence the beneficial effects of stop-scharm mixing on fine-tuning together with an interesting phenomenology provide a strong motivation to explore this possibility experimentally. 
Maintenant que le boson de Higgs a été découvert [1, 2], la question la plus pressante à la portée du LHC est celle de la naturalité. Le spectre d'une absence de naturalité, après avoir fait sa première apparition avec la constante cosmologique, se cache maintenant derrière le boson de Higgs, car aucune nouvelle physique n'a été aperçue au LHC. Etablir le verdict final sur la naturalité est l'une des principales tâches de la course aux hautes énergies jusqu'à 14 TeV. Puisque la principale contribution à la déstabilisation de  l'échelle électrofaible dans le Modèle Standard (SM) provient d'une boucle de quark top, la clé pour résoudre le problème de la naturalité au LHC est l'identification du partenaire du top  responsable de l'annulation de la divergence quadratique. Le partenaire du top peut être une particule scalaire (tels que le stop, dans le cas de la supersymétrie) ou un fermion (comme dans le cas des modèles de Higgs composites). La chasse au partenaire du top qui est activement poursuivie au LHC est le moyen le plus direct pour tester l'idée de naturalité de l'échelle électrofaible ...
Concluons en soulignant que les conséquences du mélange stop-scharme étudiées dans le présent article vont bien au-delà du scénario supersymétrique minimal. La phénoménologie du mélange des saveurs des squarks et leur désintégration en quarks sont communes à une large classe de modèles supersymétriques. Par conséquent, les effets bénéfiques du mélange stop-scharme sur le réglage fin et sur l'existence d'une phénoménologie intéressante constitue une forte motivation pour explorer cette voie expérimentalement.
Monika Blanke et al. Flavoured Naturalness, 28/02/13



ou qu'il faille tout redéfinir  : la clé (un seul Higgs) et la serrure (le bon scénario de stabilité du vide quantique) puis attendre (une meilleur mesure de la masse du quark top ?)
  
The value of the Higgs mass (Mh) favored by present ATLAS and CMS..., Mh = 125-126GeV, is intriguing: it is quite close to the minimum Mh value that ensures absolute vacuum stability within the Standard Model (SM) which, in turn, implies a vanishing Higgs quartic coupling (λ) around the Planck scale. In order to assess if the measured Higgs mass is compatible with such a peculiar condition, a precise computation is needed.  
La valeur de la masse du Higgs (Mh) mesurée par ATLAS et CMS ..., Mh = 125-126GeV, est intrigante: elle est assez proche de la valeur minimale Mh qui assure la stabilité du vide quantique au sein du Modèle Standard (MS), ce qui du coup implique une convergence vers zéro de la constante de couplage quartique (λ) du Higgs au voisinage de l'échelle de Planck. Afin d'évaluer si la masse mesurée du Higgs est compatible avec une telle condition particulière, un calcul précis est nécessaire.
In this article the stability of the Standard Model (SM) vacuum in the presence of radiative corrections and for a Higgs boson with a mass in the vicinity of 125 GeV is discussed. The central piece in this discussion will be the Higgs self-interaction and its evolution with the energy scale of a given physical process. This is described by the  β-function to which we recently computed analytically the dominant three-loop contributions [1]. These are mainly the QCD and top-Yukawa corrections as well as the contributions from the Higgs self-interaction itself. We will see that for a Higgs boson with a mass of about 125 GeV the question whether the SM vacuum is stable and therefore whether the SM could be valid up to Planck scale cannot be answered with certainty due to large experimental uncertainties, mainly in the top quark mass 
Dans cet article, la stabilité du vide dans le MS en présence des corrections radiatives et pour un boson de Higgs de masse voisine de 125 GeV est discutée. L'élément central de cette discussion sera l'auto-interaction du boson de Higgs et son évolution avec l'échelle d'énergie d'un processus physique donné. Cette opération est décrite par la fonction β dont nous avons récemment calculé analytiquement les contribution dominantes à l'ordre de trois boucles [1]. Il s'agit principalement des corrections dues à la chromodynamique quantique (QCD) et au couplage de Yukawa avec le quark ainsi que des contributions de l'auto-interaction Higgs. Nous allons voir que pour un boson de Higgs de masse d'environ 125 GeV la question de savoir si le vide du MS est stable et si on pouvait en déduire que le MS est valable jusqu'à l'échelle de Planck n'a pas de réponse certaine en raison de trop grandes incertitudes expérimentales, principalement sur la masse du quark top.

... avant d'accéder au nouvel espace qui se cache derrière la porte (l'échelle de Planck ?)  
à savoir :


  • Un avatar banal du multivers ? 
The first lesson that we learn from the SM extrapolation is that the Higgs mass hinted by LHC results corresponds to λ = 0 and βλ = 0 at high energies. This, by itself, is an intriguing result because λ = 0 is the critical value for stability and it may hide some information about Planckian physics. With our precise calculation, we can investigate further the situation... Quantum tunneling is sufficiently slow to ensure at least metastability of the electroweak  (EW) vacuum... It is natural to try to speculate on the possible meaning of the near vanishing of  λ and  βλ around the Planck scale.
The coupling 
λ = 0 is the critical value that separates the ordinary EW phase from a phase in which the Higgs field slides to very large values. It is noteworthy that the hierarchy problem can also be interpreted as a sign of near criticality between two phases [46]...
The observation that both parameters in the Higgs potential are quasi-critical may be viewed as evidence for an underlying statistical system that approaches criticality. The multiverse is the most natural candidate to play the role of the underlying statistical system for SM parameters. If this vision is correct, it will lead to a new interpretation of our status in the multiverse: our universe is not a special element of the multiverse where the parameters have the peculiarity of allowing for life, but rather our universe is one of the most common products of the multiverse because it lies near an attractor critical point. 
La première leçon que nous apprenons de l'extrapolation du MS est que la masse du Higgs suggérée par les résultats du LHC correspond à λ = 0 et  βλ  = 0 à haute énergie. Cela, en soi, est un résultat intéressant car λ = 0 est la valeur critique pour la stabilité et et elle pourrait cacher certaines informations à propos de la physique à l'échelle de Planck. Avec notre calcul précis, nous pouvons étudier davantage la situation ... L'effet tunnel quantique est suffisamment lent pour assurer au moins la métastabilité du  vide électrofaible (EW) ... Il est naturel d'essayer de spéculer sur la signification possible de la quasi disparition de λ et  βλ autour de l'échelle de Planck.
Le couplage λ = 0 est la valeur critique qui sépare la phase EW ordinaire d'une phase dans laquelle le champ de Higgs tend vers des valeurs très grandes. Il est à noter que le problème de la hiérarchie peut aussi être interprété comme un signe de quasi-criticité entre deux phases [46] ...
L'observation selon laquelle les deux paramètres du potentiel de Higgs sont quasi-critiques peut être considérée comme la preuve de l'existence d'un système statistique sous-jacent qui se rapproche de la criticité. Le multivers est le candidat le plus naturel pour jouer le rôle du système statistique sous-jacent pour les paramètres du MS. Si cette vision est correcte, cela conduira à une nouvelle interprétation de notre statut dans le multivers: notre univers n'est pas un élément particulier du multivers où les paramètres ont la particularité de permettre la vie, mais notre univers est l'un des avatars les plus ordinaires du multivers, dans la mesure où il se trouve à proximité d'un point critique attracteur.

  • Un terrain pacifié (asymptotiquement sûr) où gravitation quantique (non-perturbativement renormalisable) et extension minimale du modèle standard (avec des neutrinos de Majorana)  s'unissent ?
There are indications that gravity is asymptotically safe. The Standard Model (SM) plus gravity could be valid up to arbitrarily high energies. Supposing that this is indeed the case and assuming that there are no intermediate energy scales between the Fermi and Planck scales we address the question of whether the mass of the Higgs boson mH can be predicted. For a positive gravity induced anomalous dimension Aλ > 0 the running of the quartic scalar self interaction λ at scales beyond the Planck mass is determined by a fixed point at zero. This results in mH = mmin = 126 GeV, with only a few GeV uncertainty. This prediction is independent of the details of the short distance running and holds for a wide class of extensions of the SM as well. 
Il y a des indications qui portent à croire que la gravité est asymptotiquement sûre. Le modèle standard (MS) ainsi que la gravité pourrait être valables à des énergies arbitrairement élevées. A supposer que tel est bien le cas, et en supposant qu'il n'y a pas d'échelle d'énergies intermédiaires entre celles de Fermi et de Planck nous abordons la question de savoir si la masse du boson de Higgs mH peut être prédite. Pour une valeur positive de la dimension anormale Aλ, induite par la gravité, le flot du couplage quartique d'auto-interaction scalaire λ à une échelle au-delà de la masse de Planck est déterminé par un point fixe nul. Il en résulte mH = mmin  = 126 GeV, avec une incertitude de seulement quelques GeV. Cette prédiction est indépendante des détails du flot à courte distance et reste valable pour une large classe d'extensions du MS.
Mikhail Shaposhnikov et Christof Wetterich, Asymptotic safety of gravity and the Higgs boson mass 12/01/10
... the confirmed observational signals in favor of physics beyond the Standard Model which were not discussed in this paper (neutrino masses and oscillations, dark matter and baryon asymmetry of the Universe) can be associated with new physics below the electroweak scale, for reviews see [60, 61] and references therein. The minimal model νMSM, contains, in addition to the SM particles, three relatively light singlet Majorana fermions. These fermions could be responsible for neutrino masses, dark matter and baryon asymmetry of the Universe. The MSM predicts that the LHC will continue to confirm the Standard Model and see no deviations from it. 
... les signaux expérimentaux confirmés en faveur d'une physique au-delà du MS qui n'ont pas été abordés dans le présent document (masses des neutrinos et leurs oscillations, matière noire et asymétrie baryonique de l'Univers) peuvent être associés à une nouvelle physique en dessous de l'échelle électrofaible, pour des études voir [60, 61] et les références citées. Le modèle minimal νMSM, contient, en plus des particules du MS, trois singulets relativement légers qui sont des fermions de Majorana. Ces fermions pourraient être responsables des masses des neutrinos, de la matière noire et de l'asymétrie baryonique de l'Univers. Le νMSM prédit que le LHC va continuer à confirmer le modèle standard et ne verra pas d'écarts par rapport à celui-ci.
Fedor Bezrukov et al., Higgs boson mass and new physics 27/09/12

  • Le lieu même de la naissance de la géométrie et du temps (grâce au formalisme de la géométrie noncommutative et au principe d'action spectrale) ?
We end the book by coming back to the construction of a theory of quantum gravity. Our approach here starts by developing an analogy between the electroweak phase transition in the Standard Model and the phase transitions in the quantum statistical mechanical systems described in Chapter 3. Through this analogy a consistent picture emerges which makes it possible to define a natural candidate for the algebra of observables of quantum gravity and to conjecture an extension of the electroweak phase transition to the full gravitational sector, in which the geometry of space-time emerges through a symmetry breaking mechanism and a cooling process. 
Nous terminons le livre en revenant sur la construction d'une théorie de la gravité quantique. Notre approche commence ici en élaborant une analogie entre la transition de phase électrofaible dans le modèle standard et les transitions de phase dans les systèmes de mécaniques quantiques statistiques décrits dans le chapitre 3. Grâce à cette analogie une image cohérente se dégage qui permet de définir un candidat naturel pour l'algèbre des observables de la gravité quantique et  permet de conjecturer une extension de la transition de phase électrofaible à l'ensemble du secteur de la gravitation, dans lequel la géométrie de l'espace-temps émergerait à travers un mécanisme de brisure de symétrie et un processus de refroidissement.
Alain Connes et Matilde Marcolli, Noncommutative Geometry, Quantum Fields and Motives 2008

vendredi 1 mars 2013

Côtoyer les sommets, savoir y monter, pouvoir en redescendre aussi ...

Dévissages (3)

J'ai dans la tête le souvenir d'une phrase lue chez quelque grand alpiniste du siècle précédent : Meissner, Bonatti, Rébuffat, Béghin... (?), elle disait à peu près ceci :
Les montagnes ne nous appartiennent pas dès lors que nous atteignons leurs sommets mais seulement une fois que nous en sommes redescendus.


Quel(s) sommet(s) viser ? Celui (ceux) où (théories quantiques des champs du) modèle standard et relativité générale se rejoignent !
Understanding the origin of the standard model is currently one of most challenging issues in high energy physics. Indeed, despite its experimental successes, it is fair to say that its structure remains a mystery. Moreover, a better understanding of its structure would provide us with a precious clue towards its possible extensions.
Comprendre l'origine du modèle standard est actuellement l'un des problèmes les plus hardus de la physique des hautes énergies. En effet, en dépit de ses succès expérimentaux, il est juste de dire que sa structure reste un mystère. De plus, une meilleure compréhension de sa structure nous donnerait un indice précieux pour ses extensions possibles.
Jan-H. Jureit et al, On the noncommutative standard model 01/07/07 
Le modèle spectral : une approche ascendante inspirée par la géométrie noncommutative (au risque de monter trop haut?)
This can be achieved in the framework of noncommutative geometry [1], which is a branch of mathematics pioneered by Alain Connes, aiming at a generalisation of geometrical ideas to spaces whose coordinates fail to commute. Motivated by quantum gravity, it is postulated that space-time is a wildly noncommutative manifold at a very high energy. Even if the precise nature of this noncommutative manifold remains unknown, it seems legitimate to assume that at an intermediate scale, say a few orders of magnitude below the Planck scale, the corresponding algebra of coordinates is only a mildly noncommutative algebra of matrix valued functions ...[which]... reproduces within the spectral action principle the standard model coupled to gravity [2].
It is worthwhile to notice that this is a bottom–up approach, ...
Ceci peut être réalisé dans le cadre de la géométrie noncommutative [1], une branche des mathématiques mise au point par Alain Connes qui vise à une généralisation des idées géométriques à des espaces dont les coordonnées ne commutent pas. dans le but de construire une théorie quantique de la gravité, il est postulé que l'espace-temps est une variété fortement noncommutative à une échelle d'énergie très élevée. Même si la nature exacte de cette variété noncommutative demeure inconnue, il semble légitime de supposer qu'à une échelle intermédiaire, disons quelques ordres de grandeur en dessous de l'échelle de Planck, l'algèbre correspondante des coordonnées est seulement une algèbre modérément noncommutative de fonctions à valeurs matricielles... [qui] ... reproduit via le principe d'action spectrale le modèle standard couplé à la gravité [2].
Il est intéressant de remarquer qu'il s'agit d'une approche acendante, ...


ibid. 
La théorie des cordes : une approche descendante qui s'appuie sur la supersymétrie (au risque de tomber du ciel ?)
... as opposed to string theory which is a top–down one. Indeed, in noncommutative geometry, one tries to guess the small scale structure of space-time from our present knowledge at the electroweak scale, whereas string theory aims at deriving the standard model directly from the Planck scale physics. Noncommutative geometry is a powerful tool to describe the low energy dynamics of open strings in presence of a B-field [3]. In this case the gauge fields living on the branes turn out to be noncommutative gauge fields, based on θ-deformations of the algebra of coordinates, which allow to reproduce a deformation of the standard model [4].
... par opposition à la théorie des cordes qui est une approche descendante. En effet, dans la géométrie non commutative, on essaie de deviner la structure à petite échelle de l'espace-temps à partir de notre connaissance actuelle à l'échelle électrofaible, tandis que la théorie des cordes vise à dériver le modèle standard de la physique directement échelle de Planck. La géométrie non-commutative est un outil puissant pour décrire la dynamique de basse énergie des cordes ouvertes en présence d'un champ B [3]. Dans ce cas, les champs de jauge qui vivent sur les branes se révélent être des champs de jauge non commutatifs, bas sur des θ-déformations de l'algèbre des coordonnées qui permettent de reproduire une déformation du modèle standard [4].
ibid.

Le groupe de renormalisation : l'échelle de Jacob des physiciens entre Ciel et Terre (échelle de Planck et échelle électrofaible) !
Turning back to the spectral action principle, its physical interpretation and its confrontation with present-day experiment still require some contact with the low energy physics. This follows from the standard Wilsonian renormalization group idea. The spectral action provides us with a bare action supposed to be valid at a very high energy of the order of the unification scale. Then, evolving down to the electroweak scale yields the effective low energy physics. This line of thought is very similar to the one adopted in grand unified theories. Indeed, in a certain sense models based on non commutative geometry can be considered as alternatives to grand unification that do not imply proton decay.
Pour en revenir au principe de l'action spectrale, son interprétation physique et sa confrontation avec les résultats expérimentaux nécessite encore le recours à la physique de basse énergie. Cette démarche repose sur l'interprétation classique de Wilson du groupe de renormalisation. L'action spectrale nous donne une action nue censée être valide à une énergie très élevée de l'ordre de l'échelle d'unification. Ensuite, l'évolution vers le bas de l'échelle électrofaible donne la physique effective à faible énergie. Cette ligne de penser est très similaire à celle adoptée par les théories de grande unification. En effet, dans un certain sens, les modèles basés sur la géométrie noncommutative peuvent être considérés comme des alternatives à la grande unification qui n'impliquent pas la désintégration du proton.
 ibid.
// ajout du 2 mars 2013
La subtile dialectique entre une approche globalement descendante et localement ascendante ... (et si le bon point de vue sur la théorie des cordes était ... spectral ;-)
The incorporation of Grand Unified Theories in string theory aims at a consistent ultraviolet completion of all fundamental interactions including gravity. Such a consistency can only be assured if we have a consistent global string theory construction. One might still ask the question whether there are some properties of particle physics that could be studied in a bottom-up approach at a local level. In F-theory such a local description concerns a d=4 spacetime (point in extra dimensions) or a semilocal description (d=8 spacetime with four extra dimensions)... Local descriptions give more freedom for model building but might not have valid ultraviolet completions and could thus be inconsistent...
In the present paper we have analysed the local E8 point for the construction of an SU(5) GUT and identified exactly two models that are consistent with sufficient proton stability and nontrivial masses for all quarks and leptons. They might be candidates for a realistic string version of the Minimal Supersymmetric Standard Model, although some aspects (such as Majorana neutrino masses) have not yet been addressed ...
Our analysis using spectral cover techniques proves the inconsistency of the otherwise acceptable local models even at the level of the semilocal construction...We cannot trust the predictions of local models as long as they are not confirmed by global constructions. In a more positive interpretation this tells us that string theory is more than just ”bottom-up” model building and that we can learn nontrivial things for particle physics from the full string theory.
L'incorporation des théories de grande unification dans la théorie des cordes vise à une complétion ultraviolette cohérente de toutes les interactions fondamentales, y compris la gravité. Une telle cohérence ne peut être assurée que si nous avons une construction globale solide de la théorie des cordes. On pourrait encore se poser la question de savoir s'il y a des propriétés de la physique des particules qui pourraient être étudiées dans une approche ascendante au niveau local. Dans la F-théorie une telle description locale concerne un espace-temps de dimension d = 4 (vu comme point dans un espace plus large aux dimensions supplémentaires) ou une description semilocale (un espace-temps de dimension = 8 avec quatre dimensions supplémentaires) ... Les descriptions locales donnent plus de liberté pour la construction du modèle, mais pourraient ne pas avoir de complétions ultraviolettes valids et pourraient donc être incohérentes ...
Dans le présent article, nous avons analysé le
point E8 local pour la construction d'une théorie de grande unification SU(5) et identifié exactement deux modèles qui sont compatibles avec la stabilité des protons et qui donnent une hiérarchie de masses non triviale pour tous les quarks et les leptons. Ils pourraient être des candidats pour une version réaliste du modèle standard supersymétrique minimal dérivé d'une théorie des cordes, bien que certains aspects (comme les masses des neutrinos de Majorana) n'ont pas encore été abordés ...
Notre analyse en utilisant des techniques de "recouvrement spectral" prouve l'inconsistance des deux modèles
locaux sélectionnés, même au niveau de la construction semilocale ... Nous ne pouvons pas faire confiance aux prédictions des modèles locaux tant qu'ils ne sont pas confirmés par des constructions globales. Dans une perspective plus plus positive ces résultats nous disent que la théorie des cordes est plus qu'une simple construction de modèles caractéristiques d'une approche "ascendante" et que c'est dans son approche globale qu'elle peut nous apprendre des choses non-triviales sur la physique des particules.
Christoph Lüdeling et alThe Potential Fate of Local Model Building  17/01/11



Quant-à la différence entre échelles de Planck et de grande unification : c'est la même qu'entre un sommet et un simple col ...