jeudi 30 mai 2013

(Faut-il) prendre le (théâtre du) monde quantique au sérieux (?)

Un quantum d'obstination (13)

Les trois coups ...
Et si la validation du modèle standard avec la découverte du boson de Higgs marquait enfin le lever de rideau sur un nouveau théâtre du monde, aux dimensions quantiques étendues en quelque sorte, où le rêve fou des physiciens d'unifier les quatre interactions fondamentales serait envisageable? Dès lors on pourrait revoir ou plutôt réentendre l'histoire de la quantique sous un nouveau jour ou, pour filer la métaphore théâtrale, attirer l'attention du public sur les trois coups qui ont déjà été frappés ...
  • 1er coup :  première quantification, hypothèse du photon et création de la mécanique quantique, celle de l'équation de Schrödinger et des matrices de Heisenberg (symbole : découverte du quantum de rayonnement, le photon de spin un);
  • 2d coup : unification des mécaniques quantique et relativiste dans l'équation de Dirac, seconde quantification, l'électrodynamique quantique : première théorie des champs renormalisable (symbole : découverte du spin demi-entier des quanta de matière, les fermions);
  • 3ème coup : description des interactions faibles et fortes par des champs de jauge quantiques  non-abéliens de Yang-Mills, mécanisme (A)BEHHGK, renormalisabilité du modèle Standard, découverte des anomalies ou brisures quantiques de symétries classiques  (symbole : découverte d'un quantum de champ scalaire du vide : le boson de Higgs de spin nul). 
... avant le lever de rideau?
Mais qui sera le premier acteur à entrer sur la scène? Y jouera-t-on la pièce tant attendue de la gravitation quantique? Y célébrera-t-on les noces de l'infiniment petit et de l'infiniment grand? S'agira-t-il d'un opéra romantique avec un orchestre symphonique riche en cordes, ou bien un ballet aux circonvolutions complexes dansé sur une musique baroque, ou encore un mystère profane et facétieux, rythmé par un ostinato noncommutatif?

mercredi 29 mai 2013

Est-ce que le boson de Higgs a un grand frère (le big broson)?

Création d'une nouvelle rubrique : Bossons sur le boson (1)

Fiction, métaphores et facéties quantiques 
Le mathématicien Alain Connes vient de publier avec deux co-auteurs un bref roman, au ton léger, à mi-chemin entre l'enquête policière et la science-fiction intitulé "Le théâtre quantique". Il est difficile de prévoir la nature des émotions que susciteront dans la tête du lecteur néophyte, la lecture des quelques allusions plus ou moins imagées à la physique quantique, au boson de Higgs et à la géométrie noncommutative. L'évocation du milieu scientifique du CERN et de ses chercheur-e-s, à travers un personnage principal féminin en particulier, suscitera peut-être plus aisément l'intérêt pour la lecture. Le coup de théâtre final qui a le bon goût de dépasser les thématiques un peu étroites de la physique, intriguera à coup sûr n'importe quel lecteur curieux et pourra aussi résonner avec des thématiques variées pour un esprit plus scientifique voir carrément bien informé sur les préoccupations connues d'Alain Connes. Illustration avec cet extrait :


Dans cet état de demi-sommeil où l’esprit critique n’a pas droit de cité, elle tente de se replonger dans ses réminiscences angéliques, teintées de sensualité. Parfois, elle arrivait à reprendre le fil de ses rêves mais seulement le matin ; elle n’y parvient pas cette fois-ci…Elle est distraite, comme par un regard indiscret posé sur elle. Elle allume la veilleuse. Pas de doute, il n’y a personne d’autre dans son compartiment. Lentement, elle réalise que ce qui la dérange ne vient pas de l’extérieur, mais de l’intérieur : un murmure un peu confus, qui l’incite à repenser à son sujet de recherche actuel : le Big Broson
Après tout, en voilà un objet pesant ! se dit-elle. En gros, sa masse devrait être un milliard de fois plus grande que celle du boson de Higgs [...] si le « Big Broson » est si lourd, c’est qu’il joue un rôle essentiel pour donner aux neutrinos* une masse si petite qu’elle est presque impossible à mesurer ; subtil mécanisme, bien connu des physiciens qui l’appellent « mécanisme de la balançoire » : une masse énorme peut être à l’origine d’une masse minuscule. Bien, soit, mais le « Big Broson » n’est pas comme les autres et fait vraiment partie de la gravitation, il faut en tirer toutes les conséquences !
Alain Connes, Danye Chéreau, Jacques Dixmier, Le théâtre quantique, mai 2013

Bien évaluer le poids de la découverte du premier boson scalaire ... et en savoir plus sur la masse du second (pour espérer le découvrir à son tour?)
On a déjà évoqué dans ce blog la "résurrection" pour ainsi dire du modèle spectral noncommutatif dans le champ d'investigation expérimental de la physique des hautes énergies. A travers l'extrait précédent, il est plaisant de voir  que le quantum du nouveau champ scalaire récemment mis à jour dans le formalisme du modèle spectral noncommutatif (lequel permet à la fois de rendre massif les neutrinos et d'ajuster la valeur de la masse du Higgs avec celle mesurée au LHC) est désormais baptisé : c'est le big Broson! Le nom est facétieux et la procédure n'est pas très académique, le temps nous dira si cette dénomination virtuelle ou de fiction perdurera - le champ scalaire associé, lui, est désigné par la lettre générique sigma (σ) dans les articles de recherche! Toujours est-il que la masse de la dite particule "environ un milliard de fois plus grande que celle du boson de Higgs" laisse présager qu'une mise en évidence directe de la particule n'est pas pour demain... Mais cette information est tirée d'une fiction, qu'en-disent les (pré)publications scientifiques? 


The Standard Model (SM) continues to conform to all experimental data. The question remains whether this model will continue to hold at much higher energies, or whether there is a unified theory whose low-energy limit is the SM. One indication that there must be a new higher scale that effects the low energy sector is the small mass of the neutrinos which is explained through the see-saw mechanism with a Majorana mass of at least of the order of 10^11 Gev. In addition and as noted above, a scalar field which acquires a vev generating that mass scale can stabilize the Higgs coupling and prevent it from becoming negative at higher energies and thus make it consistent with the low Higgs mass of 126 Gev [11].


Le modèle standard (MS) continue à être conforme à toutes les données expérimentales. La question reste de savoir si ce modèle continuera à tenir à des énergies beaucoup plus élevées ou s'il existe une théorie unifiée dont la limite basse énergie est le MS. Une indication qu'il doit y avoir une nouvelle échelle d'énergie plus élevée qui affecte le secteur de basse énergie est la faible masse des neutrinos qui s'explique par le mécanisme de bascule associé à une masse de Majorana d'au moins 10^11 GeV. En outre, et comme indiqué plus haut, un champ scalaire qui acquiert une valeur moyenne sur le vide   générant cette échelle des masses peut stabiliser le couplage de Higgs et l'empêcher de devenir négatif à des énergies plus élevées et donc le rendre compatible avec la faible masse du Higgs de 126 GeV [11].
A. Chamseddine et A. Connes,  Beyond the Spectral Standard Model: Emergence of Pati-Salam Unification 04/13

Une simple multiplication des deux valeurs numériques soulignées dans cet extrait d'article scientifique semble donner un certain crédit à l'affirmation trouvée dans la fiction évoquée dans le paragraphe précédent ;-)

// Ajout du 8/06/13 : Pour rester dans le quantitatif il n'est peut-être pas si anecdotique de signaler que le terme "Big Broson" apparaît 15 fois dans le roman "Le théâtre quantique" (lexique technique compris) contre 13 occurrences pour "boson de Higgs" ... ainsi contrairement à son sous-titre en forme d'anagramme (l'horloge des anges ici-bas) le véritable héros de l'histoire n'est peut-être pas celui que l'on veut nous faire croire ...
// Mise à jour du 12/06/13 : ce billet inaugure une nouvelle rubrique dont le titre "Bossons sur le boson" est un hommage au mathématicien (et une quasi-citation de) Jacques Dixmier, directeur de thèse d'Alain Connes et co-auteur du roman évoqué précédemment.
//Quelques coquilles corrigées le 10 mai 2018 (et bon anniversaire à un autre Alain ;-) 

mardi 21 mai 2013

Dessine moi (ou mieux encore : montre moi les obstacles pour se figurer) un quanton !

Peut-on voir l'onde de matière d'un électron dans un atome d'hydrogène?
Le toujours intéressant blog Physics and Physicists nous informait hier de la publication récente de recherches sur la visualisation de la structure nodale des orbitales électroniques d'un atome d'hydrogène par des techniques de microscopie de photo-ionisation sous champ électrique.


Le microscope à photo-ionisation permet l'observation directe d'une orbitale électronique d'un atome d'hydrogène. L'atome est placé dans un champ électrique E et excité par des impulsions laser (en bleu). L'électron ionisé peut s'échapper de l'atome le long de trajectoires directes et indirectes par rapport au détecteur (montré à l'extrême droite). La différence de phase entre ces trajectoires conduit à une figure d'interférence qui est agrandie par une lentille électrostatique (Lens) : au centre. 


Si on veut décrire simplement cette expérience on est conduit à adopter deux modélisations différentes de l'objet quantique appelé électron. La première fait appel au concept de corpuscule, modèle familier de la physique classique pour décrire un objet auquel on peut attribuer à tout instant et simultanément une position et une vitesse. Comme ce corpuscule a été compris comme étant une partie générique de tout atome qui peut plus ou moins facilement en être arraché, on la qualifie de particule. La description corpusculaire de l'électron a servi de base au modèle atomique de Bohr qui l'envisage comme une particule décrivant une orbite stationnaire autour d'un noyau central. Cependant la description de la structure nodale d'une orbitale électronique et la technique expérimentale qui met en jeu le phénomène d'interférence nécessitent toutes deux l'adoption d'une autre modélisation, de nature ondulatoire où l'electron a une extension spatiale irréductible caractérisée par un vecteur d'onde et une phase. Or le développement de la physique classique à travers l'étude de la propagation de la lumière menées par des figures telles que Huygens, Newton puis Fresnel par exemple, semble avoir favoriser la construction sinon d'un antagonisme du moins d'un dualisme entre les deux modèles. Dualisme qui a soulevé de nombreux débats d'interprétation sur la nature de l'onde de matière associée à toute particule quantique, d'abord postulée par de Broglie avant de servir de base à la mécanique quantique de Schrödinger.

Peut-on (se) figurer les limites de la dualité onde-corpuscule (ou onde-particule) ?
La paire formée par les modèles classiques ondulatoires et corpusculaires est d'un usage pratique pour une exposition simple des premiers phénomènes quantiques découverts mais elle soulève des difficultés ou montre ses limites dans des situations plus complexes. Certains y ont vu le signe d'une potentielle incohérence interne ou d'une limitation dans l'efficacité de la théorie quantique. Dans ce contexte (brossé à gros traits) le physicien et philosophe Mario Bunge défendait au contraire l'idée que les objets quantiques sont des entités sans équivalent classique et proposa en 1967 de leur donner un nom générique : celui de "quanton". Cette terminologie a été défendue et popularisée en France par Jean Marc Lévy-Leblond. Voici un extrait d'un article de ce dernier qui défend la pertinence de l'usage du terme de quanton et dessine les contours de la problématique qu'il faut dépasser ou circonscrire :

... quantons have something to do with waves and particles. But it is not that they appear either as waves, or as particles: as a matter of fact, most of the times they just appear for what they are, deserving a full quantum treatment, and not lending themselves to a classical wave or par­ticle description. It is true, yet, that in some specific circumstances, there are valid wave or particle approximations (necessarily exclusive). The condition  for the validity of these approximations, although empirically more or less well-known, are not, to my knowledge, theoretically under control. It is an interesting problem, I think, to be solved, and one which should deepen our understanding of the quantum concepts as such ... Let me only note that bosons may obey either a wave, or a particle approximation; electromagnetic fields propagate as waves, and photons sometimes may be treated as classical particles. But fermions do not seem have a classical wave description with any physical domain of approxi­mate validity. And it is not clear whether the wave approximation for bosons require or not a zero invariant mass (compare the cases of photons and pions). These last brief remarks are just intended to show how inadequate the idea of a universal wave-particle duality, and how its very generality prevents one from dealing with concrete physical problems, namely study­ the validity of the classical wave and particle approximations. To sum up, the "wave-particle duality" is no more correct a way to analyze a quanton, than a "rectangle-circle duality" would be to analyze a cylinder ; it is even worse, since the two partial aspects may hardly fit in the same pic­ture with some consistency [fig. below]. 
... les quantons ont quelque chose à voir avec les ondes et les particules. Mais ce n'est pas qu'ils apparaissent soit comme des ondes, soit comme des particules : en fait, la plupart du temps ils se manifestent juste pour ce qu'ils sont, et cette manifestation réclame un traitement complètement quantique, et ne se prête pas à une description en termes classiques d'ondes ou de corpuscules. Il est vrai cependant que dans certaines circonstances spécifiques, il y a une approximation ondulatoire ou corpusculaire valable (mais nécessairement exclusives l'une de l'autre). Les conditions de validité de ces approximations, empiriquement plus ou moins bien connues, ne sont pas, à ma connaissance, théoriquement contrôlées. C'est un problème intéressant, je pense, à résoudre et qui devrait permettre d'approfondir notre compréhension des concepts quantiques ... Permettez-moi seulement de remarquer que les bosons obéissent à une approximation qui est soit ondulatoire soit particulaire, les champs électromagnétiques se propagent comme des ondes et les photons peuvent parfois être traités comme des particules classiques. Mais les fermions ne semblent pas avoir de quelconque description en terme d'ondes classiques susceptible d'avoir un domaine physique d'approximation valide. Et la question de savoir si l'approximation ondulatoire pour les bosons nécessite ou non une masse invariante nulle n'est pas tranchée semble-t-il (comparer les cas de photons et des pions). Ces dernières et brèves remarques sont simplement destinées à montrer dans quelle mesure l'idée d'une dualité onde-particule universelle est inadéquate et comment sa généralité même empêche de faire face aux problèmes physiques concrets, à savoir étudier les conditions de validité des approximations classiques ondulatoires et corpusculaires. Pour résumer, la "dualité onde-particule" n'est pas une façon plus correcte pour analyser un quanton, qu'une "dualité rectangle cercle" le serait  pour analyser un cylindre, c'est même encore pire dans la mesure où les deux aspects partiels peuvent difficilement s'adapter dans la même image pour former un tout cohérent [voir illustration ci-dessous].
Jean-Marc Lévy Leblond, Towards a Proper Quantum Theory, 1976 

An illustration of the wave-particle "duality" in quantum physics. Although partial views of this figure may be interpreted as two-dimensional projections of three-dimensional bodies, the full figure is but a two-dimensional one, without such an interpretation.
Illustration (de l'impasse) de la "dualité" onde-corpuscule en physique quantique. Bien que des vues partielles de la figure ci-dessus puissent être interprétées comme projections bidimensionnelles partielles d'objets à trois dimensions, la figure vue globalement ne peut pas être interprétée comme la projection effective d'un objet réel unique tridimensionnel. 



//Ce billet a subit un travail de réédition partielle le 27/04/2020.

L('épistémologie de l)a biologie à la rescousse de la (difficile falsifiabilité de la) théorie des cordes

Sans commentaires // ou presque (15)

Un credo parmi une infinité d'autres dans le vaste paysage de la théorie des cordes ... en constante évolution?
// Suite à une légère reprise des hostilités sur le champ de bataille de la guerre des cordes (voir ici et ) le blogueur en profite pour faire une mise à jour de certains arguments employés par les partisans de la théorie en question. On aborde du même coup un point qui n'avait pas encore été mentionné dans notre blog : le problème du paysage et l'argument anthropique pour le résoudre. 
I have previously explained why I like String Theory. Of the four reasons I gave previously the main one is that it solves the problem of how quantum theory looks in the perturbative limit about a flat space-time with gravitons interacting with matter. This limit really should exist for any theory of quantum gravity and it is the realm that is most like familiar physics so it is very significant that string theory works there when no other theory does. OK, so perturbative string theory is not fully sewn up but it works better than anything else. The next best thing is supergravity which is just an effective theory for superstrings.
My second like is that String Theory supports a holographic principle that is also required for quantum gravity. This is a much weaker reason because (a) it is in less well known territory of physics and requires a longer series of assumptions and deductions to get there (b) It is not so obvious that other theories wont also support the holographic principle.
Reason number three has not fared so well. I said I liked string theory because it would match well with TeV scale SUSY, but the LHC has now all but ruled that out. It is possible that SUSY will appear in LHC run 2 at 13 TeV or later, or that it is just out of reach, but already we know that the Higgs mass in the standard model is fine-tuned. There is no stop or Higgsino where they would be needed to control the Higgs mass. The only question now is how much fine-tuning is there?
Which brings me to my fourth reason for liking string theory. It predicts a multiverse of vacua in the right quantities required to explain anthropic reasoning for an unnatural fine-tuned particle theory. So my last two reasons were really a hedge. The more evidence there is against SUSY, the more evidence there is in favour of the multiverse and the string theory landscape
Philip Gibbs, Why I still like String Theory, 16/05/13  

La théorie de l'évolution par sélection naturelle n'est pas forcément falsifiable; elle ne fait pas de prédictions bien définies qui permettraient de la réfuter. Nous n'acceptons pas la théorie de l'évolution parce qu'elle a survécu à un test poppérien, mais parce qu'elle a fourni une explication plausible d'une masse de données, parce qu'elle a suggéré un ensemble de nouvelles théories, parce qu'on a pu la rattacher au développement de la génétique et de la biologie moléculaire et parce que les autres théories qui ont été avancées ou bien ont été réfutées, ou bien ne semblent absolument pas plausibles au vu de notre savoir général.
Hillary Putnam, Raison, vérité et histoire (p 218*), Editions de Minuit, 1984 

// * citation et référence tirées du livre de Yannis Delmas-Rigoutsos : Petites leçons d'épistémologie  

dimanche 19 mai 2013

Est ce que 10 = 2? Oui modulo 8! Combien de dimensions pour l'infiniment grand et l'infiniment petit?

En apprendre assez pour ne pas être naïf au risque d'être un peu ... iconoclaste (2)

Entre extension-compactification et triangulation-réduction des dimensions de l'espace-temps  
Ce qu'il y a de formidable sur la cybersphère de la physique c'est qu'on a parfois l'impression de sentir un vent qui vous pousse ou de surfer en phase avec une onde collective qui se propage. C'est du moins le sentiment que nous a donné la lecture hier du dernier billet de Sabine Hossenfelder sur son blog Backreaction. Elle y décrit en termes imagés les notions de dimension de Hausdorff et dimension spectrale, avant de commenter des avancées récentes dans la problématique de réduction dimensionnelle propres  à certaines théories de gravitation quantique. Guidé par notre boussole personnelle et mus par le bouillonnement d'idées contenues dans ce billet on n'a pas pu s'empêcher de rédiger ce commentaire :  
It is strange to notice that Kaluza-Klein or string/M theorie(s) seem to require more dimensions (10 or 11?) while some alternative (loop)quantum gravity theories ask purpotedly for less dimensions (2?)... This would make a nice sequel for the "Alice and Bob in wonderland" cartoon series! The title could be : "How sure are we that space-time is 4D?". Alice, the string expert, would start, talking about how one goes from 4 to 4+6 (Hausdorff?) dimensions, Bob would be the loop expert, talking about the opposit 4 from 2 (spectral) dimensions hypothesis revealing the puzzle. Then Alice would say "We need more powerful ideas ... new quantum(noncommutative?) ideas(geometries?)!
Alternative ending : Alice could give a hypothetical solution 4+6 = 2 (modulo 8). Her last sentence could be : I wonder if that was Connes and Chamseddines idea ;-)(http://arxiv.org/pdf/1304.8050.pdf, http://golem.ph.utexas.edu/category/2006/09/connes_on_spectral_geometry_of_1.html) 
Il est étrange de constater que les théories à la Kaluza-Klein, les théories des cordes (ou la théorie M) semblent nécessiter davantage de dimensions (10 ou 11?), tandis que certaines théories de gravitation quantique alternatives (à boucles) requièrent dit-on des dimensions réduites (2?) ... Cela ferait une belle suite à la série de bande dessinée "Alice et Bob au pays des merveilles"! Le titre pourrait être: «Sommes-nous sûrs que l'espace-temps est à 4D ?". Alice, l'experte en cordes,  parlerait la première de comment on envisage de passer de 4 à 4+6 dimensions (de Hausdorff?), Bob serait l'expert en boucles, parlerait à l'opposé de l'hypothèse de réduction de 4 à 2 dimensions (spectrales) hypothèse, révélant ainsi le problème. Puis Alice dirait: «nous avons besoin d'idée plus puissantes ... des nouvelles idées quantiques (géométries non commutatives?).
Fin alternative : Alice pourrait donner une solution hypothétique : 4+6 = 2 (modulo 8). Sa dernière phrase serait : Je me demande si c'était l'idée de Connes et Chamseddines ;-) (arxiv.org/pdf/1304.8050.pdf, golem.ph.utexas.edu/category/2006/09/connes_on_spectral_geometry_of_1.html)
cb, commentaire au billet Dimensional Reduction, 18/05/13 
// travail encore en cours...
En attendant on peut découvrir les textes suivants :
Histoire de dimensions spectrales dans un autre contexte
http://www.its.caltech.edu/~matilde/anomalies.pdf
Excursion dans un espace dont on ne connaîtrait que le nom
http://www.williamstein.org/home/wstein/www/sga/circle/madday.pdf

Entre référentiel propre et boussole personnelle, ce qui me meut

Le blogueur qui écrit ces lignes vient de mettre à jour son profil sur le site physics.stackexchange.com, c'est l'occasion de partager ces informations avec le lecteur :

I teach physics and chemistry in a French highschool. I got a PhD in condensed matter physics (studying elementary excitations in two dimensional electron gas in the quantum Hall regime, thanks to Raman and photoluminescence spectroscopies).
Update from 05/19/13 :
Since I was a student, I've been enjoying studying quantum physics, attending in particular Roland Omnes lectures at University of Paris-Sud. I've also been reading about high energy physics research, using as a guide-line the developments of a theoretical model of, say "grand unification" or "quantum gravity", a model usually presented as an alternative to the more(?) popular (super)string theories. I mean the noncommutative spectral model initiated in particular by the mathematician Alain Connes and the physicist Ali Chamseddine (good review, last update). Thus one can know what is my reference frame I guess ;-) and what kind of compass is mine to navigate on the cyber-physics-sphere ...

mercredi 15 mai 2013

Le chimiste (voire le biologiste) à la rescousse du physicien pour donner (vie ou) à voir la géométrie spectrale (non commutative)?

Un quantum d'obstination (12)

Une histoire sans fin : l'éternel débat sur la théorie des cordes et la méthode scientifique 
Suite à la lecture des deux billets suivants publiés hier et aujourd'hui :
je ne peut m'empêcher, non pas de jeter de l'huile sur le feu mais d'ajouter un modeste grain de sel personnel en postant le commentaire qui suit (sur le blog de Motl) :

I agree with you Lubos that Mankind needs to think about fundamental issues like the Planck scale despite its “inaccessibility by direct experiments” but can't we rely on brilliant phenomelogists and experimentalists to find out indirect ways to probe this scale (the CMB polarization spectrum is purported to give potentially a glimpse to physics at 10^16 GeV for instance)? 
I like also very much your sentence: “Atoms became a part of science well before people "saw" them”. Thanks a lot to chemists from the XVIIIth and XIXth centuries! Then I wonder if some NMR spectroscopists from the XXth could not help physicists from the XXIst to build some mental picture or get a better intuition of the almost commutative geometry hiding behind the resilient spectral model (http://arxiv.org/abs/1208.1030), an other quantum gravity or grand unified theory contender (supposedly different from string theory and that you reviewed in the past but not recently despite updatings like http://arxiv.org/abs/1304.0415 and http://arxiv.org/abs/1304.8050 …). 
Je suis d'accord avec toi Lubos pour dire que l'humanité a besoin de réfléchir à des problèmes fondamentaux comme celui de l'échelle de Planck malgré son "inaccessibilité par des expériences directes" mais ne pouvons nous pas faire confiance à de brillants phénoménologistes et expérimentateurs pour trouver un moyen de sonder cette échelle d'énergie de manière indirecte (le spectre du fond diffus cosmologique résolu en  polarisation est prétendument capable de nous donner des indices sur la physique à l'échelle de 10^16 GeV par exemple )? 
J'aime aussi beaucoup ta phrase "les atomes ont acquis un statut scientifique bien avant que les gens ne les voient". Merci beaucoup aux chimistes du XVIIIème et XIX ème siècles! D'ailleurs je me demande si quelque spécialiste de spectroscopie RMN du XXème ne pourrait pas aider les physiciens du XXIème à construire une image mentale ou une meilleur intuition de la géométrie presque-commutative qui se cache derrière le résilient modèle spectral (http://arxiv.org/abs/1208.1030), un autre candidat pour une théorie de la gravité quantique ou de grande unification (différente semble-t-il de la théorie des cordes  et dont tu as parlée dans le passé mais pas récemment malgré des "mises à jour" comme http://arxiv.org/abs/1304.0415 et http://arxiv.org/abs/1304.8050...).

//ajout du 16/06/13
Remarque : à cause d'une petite erreur de manipulation de ma part, ce commentaire a été publié avec mon nom complet et non les initiales cb que j'utilise d'habitude. Je n'ai pas jugé utile de corriger cette "erreur" car si je limite la visibilité de mon identité sur ce blog ou ailleurs c'est avant tout par goût d'une certaine discrétion. J'ai pensé profiter de l'occasion pour écrire désormais toujours à la première personne mais l'expérience me montre que je suis plus à l'aise en écrivant ici à la troisième. Que le lecteur me pardonne s'il a le sentiment de ne lire ici que des ratiocinations personnelles à usage privé, j'ai la faiblesse de croire que le nombre de visites sur ce blog (un peu plus de 10000 à ce jour) indique qu'il y a peut-être un intérêt à partager sur la toile de la curiosité, de la passion pour des sujets pointus ainsi que des questionnements, des recherches de réponses et ce malgré un niveau de réflexion personnel (ou de qualité de rédaction) modeste.

L'histoire des sciences doit garder un sens grâce à des expériences renouvelées ... sans cesse
La rédaction du commentaire précédent a pour but de tenter d'interroger Lubos Motl (ou ses lecteurs) sur plusieurs points. Tout d'abord on souhaite savoir s'il est d'accord avec une affirmation du blogueur Jester tirée de son dernier billet. Il y prétend que le satellite Planck pourrait, via ses tests des scénarios d'inflations dans les modèles cosmologique actuels, donner des informations sur la physique à une échelle assez proche des 10^19 GeV. Il s'agit de l'échelle d'énergie (...de Planck) où se développeraient dans toute leur ampleur les effets de la théorie des cordes ou de toute autre théorie de la gravité quantique. Ce point particulier permet de rappeler que malgré la difficulté de la tâche, il n'est pas impossible d'envisager des tests expérimentaux même de théories jugées très spéculatives parce qu'elles abordent des phénomènes inaccessibles directement à l'expérience humaine.

// travail de rédaction en cours ...
Quelques éléments de réflexion  en attendant :
Voici deux billets de Lubos Motl sur la théorie du modèle spectral initiée par Chamseddine et Connes : 
Signalons que le contenu du second billet est désormais obsolète à cause des développements ultérieurs du modèle spectral comme la démonstration de sa résilience, étayée par au moins deux (sinon trois) articles plus récents: 
Quant-au premier il présente, entre autre, l'intérêt de mettre en lumière un des obstacles essentiel à la diffusion du modèle spectral dans la communauté des physiciens à savoir la difficulté de se figurer la pertinence de la nouvelle géométrie presque commutative dans un cadre physique.
My main problem is, of course, that I have not quite understood in what sense the Connes manifold is a geometry rather than the same old physics of the covariant derivatives inside Dirac operators pretending to be "a new kind of geometry".
L. Motl, Alain Connes: a theory of everything 01/09/06

Dans le cadre d'une réflexion sur la construction d'une représentation géométrique à partir d'une information spectrale, l'idée que le chimiste du XXème siècle puisse aider le physicien du XXIème vient naturellement à l'esprit si l'on pense au spécialiste de chimie organique qui sait reconstruire la forme d'une molécule complexe à partir en gros de la comparaison de son spectre RMN avec celui d'une molécule de référence. 

A la lecture d'un texte du mathématicien Misha Gromov dont un extrait est présenté ci-dessous on peut même se demander, en forçant un peut le trait, si la biologie n'a pas initié cette analyse spectrale pour ainsi dire avant même sa mise en oeuvre en chimie :
In 1913, almost half a century after publication of Mendel’s paper "Versuche über Pflanzen-Hybriden", 21 years old Alfred Sturtevant made the next step along Mendelian lines of logic and determined relative positions of certain genes on one of the chromosomes of Drosophila by analyzing frequencies of specific morphologies in generations of suitably interbred flies.
M. Gromov, Quotations and Ideas 10/09/12 
Le rapprochement avec la géométrie noncommutative et le modèle standard spectral peut paraître très artificiel. Le blogueur a pourtant la conviction que la modélisation de la dynamique d'enroulement, déroulement et transcription de l'ADN, la complexité de sa combinatoire et les intrications de sa topologie, modélisation à laquelle rêve probablement Gromov, nécessitera sûrement de construire des outils géométriques qui pourront, qui sait, être transposés à la physique ... (quand on pense qu'il a fallu pour ainsi dire attendre la construction des théories de jauge pour comprendre finement comment un chat retombe sur ces pieds lors d'une chute ... ;-) 

Il faut noter par ailleurs qu'aussi bien l'infiniment petit que l'infiniment grand ne sont devenus accessibles au physicien lui même qu'à travers l'information spectrale tirée de la lumière (et des autres ondes ou particules élémentaires) émise(s) par les atomes et les étoiles. Aujourd'hui pour aller plus loin, la cosmologie et la physique des astroparticules  tentent de marier les deux infinis dans une quête des corrélations entre ces différents spectres justement. 
Alain Connes le dit en ces termes :

Thanks to great telescopes like Hubble we now have an “eye” that allows us to look out in space, but what strikes me is that all the information we get is of spectral nature. It is for instance thanks to the red-shift (which is a rescaling factor of spectra and can be as large as 10 and possibly a thousand) that we can estimate cosmic distances. 
It is rather striking also that our faith in outer space is based on the strong correlations that exist between different frequencies ... so that the picture in infrared of the milky way is not that different from its visible light counterpart, which can be seen with a bare eye on a clear night.
A. Connes, Duality between shapes and spectra, The music of shapes 2011 ?




jeudi 9 mai 2013

Après un éclair tonitruant de gammas, un tonnerre lumineux de neutrinos?

Annonce d'un événement astrophysique exceptionnel ... à la vitesse de la lumière 
A propos de l'éclair tonitruant* associé au très récent sursaut gamma (Gamma Ray Burst en anglais soit littéralement bouffée de rayons gamma) baptisée pour l'occasion GRB130427A  on peut lire :   
A propos de l'absence (pour le moment?) de détection d'un tonnerre lumineux** de neutrinos corrélés au sursaut gamma précédent : il faut lire http://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/14520.gcn3.
Pour en savoir plus sur cet événement scientifique en cours et suivre l'excitation autour de ce phénomène astrocataclysmique rare (une possible supernova de type II qui tire ses plus beaux feux ou jets de particules dans la direction de la Terre à plus de trois milliard d'années lumière, excusez du peu ...) :

// Ajout du 12/05


Mise au point
Le début de ce billet a été écrit sous le coup de l'enthousiasme et dans des conditions un peu précaire sur un smart-phone entre deux randonnées le long de la côte bretonne aussi le texte initial a été un peu remanié pour éviter au lecteur un excès de maladresses. Voici quelques explications, éléments d'informations et idées complémentaires.
* Par "tonitruant" le blogueur entendait le rapide écho sur la cybersphère de cet événement et l’extrême énergie des photons détectés.
** l'adjectif lumineux fait référence au fait que les neutrinos peuvent être détectés par le rayonnement Cerenkov que leur passage produit dans la matière.
Pour disposer d'un contenu scientifique de qualité en français (mais qui ne parle pas des neutrinos malheureusement) il aura fallu attendre quelques jours de plus :
http://drericsimon.blogspot.fr/2013/05/GRB-130427A.html
Le blogueur a aussi découvert à cette occasion que le fameux site Astronomy Picture of the Day a une version en français (onglet APOD) incluse dans le site Ciel des Hommes, lequel a évoqué le sursaut gamma le mercredi 8 mai : http://www.cidehom.com/apod.php?_date=130508

Quid de la vitesse des neutrinos?
L'image de l'éclair et du tonnerre que nous avons choisie pour le titre du billet fait naturellement référence à l'expérience simple qui consiste à mesurer le décalage temporel entre la réception des ondes lumineuses et sonores produites simultanément lors des violentes décharges électriques qui caractérisent les orages.
En écho à ce phénomène de retard temporel, le blogueur ne peut s'empêcher de profiter de l'occasion pour calculer l'hypothétique avance de neutrinos supraluminiques qui auraient été produits en concomitance avec les photons gamma de GRB130427A et qui auraient parcouru la même distance astronomique de 3,8 milliard d'années de lumière en voyageant à la vitesse calculée il y a deux ans lors d'une expérience de physique très médiatisée (qui s'est révélée erronée). Rappelons que cette expérience avait annoncé avoir mesuré, pour des neutrinos ayant parcouru environ 730 km, une avance de 60 nanosecondes sur le temps de propagation des photons. Il est amusant de constater qu'à cause de l'immense distance qu'ils auraient parcourue, des neutrinos  supraluminiques corrélés à GRB130427A seraient arrivés plus de 88 mille ans avant les rayons gamma! Il n'est pas étonnant dans ces conditions que le détecteur de neutrinos IceCube n'ait rien vu ;-)

// Ajout du 19/05

Y a-t-il effectivement un déficit de neutrinos (galactiques ou extragalactiques)?
Plus sérieusement l'absence de neutrinos dans ce contexte nous a incité à interroger un autre blogueur, en l'occurrence Eric Simon qui nous a - comme à son habitude - aimablement répondu! Voici notre échange de ce jour, que l'on peut aussi retrouver dans les commentaires d'un billet où il évoque une autre nouvelle récente importante, la détection des deux neutrinos les plus énergétiques jamais observés à ce jour (ayant des énergies de l'ordre du péta-électronvolt, ils ont été malicieusement baptisés Bert et Ernie). 
cb : Pensez vous par ailleurs qu'il y ait une chance que de nouveaux neutrinos très énergétiques corrélés au sursaut gamma GRB 130427A soient aussi détectables par Icecub?

Dr Eric Simon : La collaboration IceCube a annoncé il y a quelques jours la détection de 26 autres neutrinos très énergétiques dans les données enregistrées entre 2010 et 2012, de l'ordre du ou de la dizaine de TeV, qui ont une provenance extra galactique à une très forte probabilité, tout comme Bert et Ernie.
En ce qui concerne d'éventuels neutrinos énergétiques en coïncidence avec GRB 130427A, IceCube a émis un communiqué que vous pouvez lire ici
La conclusion est qu'aucun neutrino d'énergie supérieure à 1 TeV n'a été observé en coïncidence avec l'émission du GRB et dans sa direction...
(IceCube est sensible aux neutrinos d'énergie supérieure à environ 100 GeV).

cb : Peut-on déjà rapprocher cette absence de détection de neutrinos corrélés GRB130427A à un précédent défaut de neutrinos astrophysiques lié aux sursauts gamma lequel est discuté dans cet article  par la collaboration Icecube? Nous aurions ainsi un nouveau type de déficit de neutrinos - astrophysiques cette fois (et non solaires)! Reste que si la description de la production des neutrinos au coeur du soleil a atteint le stade de l'astrophysique nucléaire de précision, je crois qu'on ne peut pas en dire autant pour la physique des bouffées de rayons gamma si on en juge par les débats autour des mécanismes possibles de ces phénomènes (astrocataclysmiques?).
Quoiqu'il en soit, ces événements récents me confortent dans l'idée que les vrais rois de la physique des astroparticules sont bien les neutrinos, la matière noire n'étant encore pour le moment qu'un paramétrage de l'inconnu, l'un des paramètres de nos modèles cosmologiques encore trop primitifs même si (parce que?) ils sont très (encore trop?) compliqués ...

Dr Eric Simon : Il y a effectivement un déficit de neutrinos galactiques ou extragalactiques... IceCube en détecte beaucoup trop peu par rapport à ce prédisent les modèles de GRB. Il faut se rappeler qu'en moyenne, nos chers satellites gamma détectent un GRB par jour!...
Ensuite, pour savoir si ce sont les modèles astro ou la physique des neutrinos qui ne sont pas correctement décrits, il faut continuer à chercher...

Et qu'en est-il des (autres) rayons cosmiques issus de GRB 130427A que nous pourrions détecter?
A suivre ... Qui sait si AMS 02, le plus gros détecteur de particules dans le ciel ne vas pas en capturer?
En attendant notre lecteur peut toujours découvrir dans ce billet (écrit quelques jours avant la détection du sursaut gamma) les débats autour de la modélisation physique de ce phénomène.

mercredi 1 mai 2013

Rêve (algébrique) de grande unification, brisures (dynamiques) de symétries élargies et oasis noncommutatif (en extension)

Un quantum d'obstination (11)

Et si un modèle d'espace-temps presque-commutatif et un principe d'action spectrale étaient les outils vraiment efficaces pour prolonger les succès du Modèle Standard par de nouveaux moyens (une théorie quantique des champs augmentée ... d'une théorie des chants quantiques ;-)? 
The Standard Model (SM) continues to conform to all experimental data. The question remains whether this model will continue to hold at much higher energies, or whether there is a unified theory whose low-energy limit is the SM. One indication that there must be a new higher scale that effects the low energy sector is the small mass of the neutrinos which is explained through the see-saw mechanism with a Majorana mass of at least of the order of 10^11Gev. In addition and as noted above, a scalar field which acquires a vev generating that mass scale can stabilize the Higgs coupling and prevent it from becoming negative at higher energies and thus make it consistent with the low Higgs mass of 126 Gev [11]. Another indication of the need to modify the SM at high energies is the failure (by few percent) of the three gauge couplings to be unified at some high scale which indicates that it may be necessary to add other matter couplings to change the slopes of the running of the RG equations. 
This leads us to address the issue of the breaking from the natural algebra A which results from the classfication of irreducible finite geometries of KO-dimension 6 (modulo 8) performed in [9], to the algebra corresponding to the SM. This breaking was effected in [9], [8] using the requirement of the first order condition on the Dirac operator...  
In this work we shall examine the hypothesis that the first order condition on the subalgebra (2) arises as the vacuum solution of the spectral action. In this way the first order condition becomes a dynamical requirement instead of being imposed from outside... 
The important point to notice is the novel phenomena of the appearance of composite Higgs field ...The importance of this point should not be underestimated. The reason is that the main disadvantage of grand unified theories is the need for complicated Higgs representations with arbitrary potentials. In the noncommutative geometric setting, this problem is now solved by having minimal representations of the Higgs fields allowing for (quadratic) products of these representations. We also note that a very close model to the one deduced here is the one considered by Marshak and Mohapatra ...  
We conclude that the study of noncommutative spaces based on a product of a continuous four dimensional manifold times a finite space of KO-dimension 6; without the first order condition gives rise to almost unique possibility in the form of a Pati-Salam type model. This provides a setting for unification avoiding the desert and which goes beyond the SM. In addition one of the vacua of the Higgs fields gives rise at low energies to a Dirac operator satisfying the first order condition. 
 A. H. Chamseddine, A. Connes et W. D. van Suijlekom, Beyond the Spectral Standard Model: Emergence of Pati-Salam Unification 30/04/13

// Et si la géométrie spectrale noncommutative était un outil mathématique naturellement quantique idéal pour "résoudre" un problème physique de réglage fin?
The aim of this paper is to determine the interactions of the dilaton field φ with all other fields present in the spectral action formulation of the standard model. Because of the spectral character of the action, it is completely determined from the form of [a generalized dirac Operator] and there is no room for fine tuning the results. It is then very reassuring to find that the resulting interactions are identical to those constructed in the literature by postulating a hidden scale invariance of the matter interactions ... These are also equivalent to the interactions of the radion field in the Randall Sundrum model ... All of these results now support the conclusion that space-time at high-energies reveals its discrete structure, and is governed by noncommutative geometry.  
The Dirac operator being a differential operator has the dimensions of mass. The spectral action in noncommutative geometry is defined as a function of a dimensionless operator which is taken to be the Dirac operator divided by some arbitrary large mass scale. The arbitrariness of the mass scale naturally suggests to make this scale dynamical by introducing a dilaton field in the Dirac operator of the noncommutative space defined by the standard model. To understand the appearance of the mass scales of the spectral action, we evaluated all interactions of the dilaton with the matter sector in the standard model. We found the remarkable result that the low-energy action, when evaluated in the Einstein frame, is scale invariant except for the Einstein-Hilbert term and the dilaton kinetic term. The resulting model is almost identical to the one proposed in the literature ... The main motivation in these works is the observation that the standard model is classically almost scale invariant, with the symmetry only broken by the mass term in the Higgs potential. The symmetry is restored by the use of a dilaton field. When coupled to gravity, neither the dilaton kinetic energy nor the scalar curvature are scale invariant, leading to a Jordan-Brans-Dicke theory of gravity. The vacuum expectation value of the Higgs field is then dependent on the dilaton and is classically undetermined. Quantum corrections break the scale invariance of the scalar potential and change the vacuum expectation value of the Higgs field. The dilaton acquires a large negative expectation value given by −m and a small mass. The hierarchy in mass scales is due to the large Yukawa coupling of the top quark. The dilaton expectation value can range between the GUT scale of 10^15 Gev to the Planck scale of 2.4·10^18 Gev. The hierarchy in mass scales is not possible if the dilaton kinetic energy and the gravitational action were scale invariant. It is remarkable that all the essential features of building a scale invariant standard model interactions to generate a mass hierarchy and predict the Higgs mass are naturally included in the spectral action without any fine tuning. It is worth mentioning that the scalar potential of exactly the same model considered here was shown to admit extended inflation and a metastable ground state. It also evades the problems of the original version of extended inflation.
 A. H. Chamseddine, A. Connes, Scale Invariance in the Spectral Action 16/03/06


// Note : c'est le blogueur qui met en gras.