vendredi 18 avril 2014

L'inflation cosmologique : un amplificateur de rêve (pour détecter un graviton) quantique ?


Les électrons en chute libre rêvent-ils de gravité quantique? (3)



L'homme ne pourra (vraisemblablement) jamais détecter un graviton unique


Voici une conférence de Freeman Dyson qui porte précisément sur la possibilité de détecter un graviton, autrement dit un quantum de champ gravitationnel (et non sur la question de savoir s'il existe une théorique quantique renormalisable de la gravitation). Il y expose précisément les points suivant selon ses propres mots:


I can prove that detectors with the LIGO design, detecting gravitational waves by measuring their effects on the distance between two mirrors, cannot detect single gravitons. To reduce quantum fluctuations in the measurement of distance, the mirrors must be heavy. To make the quantum noise small enough to observe the signal from a single graviton, the mirrors must be so heavy that they collapse together into a black hole. The laws of general relativity and quantum mechanics conspire to make the measurement impossible. 




Freeman Dyson : Is a graviton detectable?  08/2013



La conjecture pessimiste de Dyson sur l'impossibilité de détecter un graviton est plus ancienne puisqu'elle remonte à 2004 au moins. Pour saisir la subtilité des problèmes physiques impliqués on peut lire cet article de Tony Rothman et Stephen Boughn qui confirme les idées de Dyson :



... we can say that to detect a single graviton was a priori going to be a difficult proposition, but it was not obvious that it was fundamentally impossible. Although, as we stated at the outset, we have found no basic principle ruling out graviton detection, reasonable physics appears to do so. Perhaps the most interesting aspect of the investigation is that it leads to some fairly subtle physics, which ... has caused significant confusion in the literature. Certainly, if a “no graviton” law appears elusive, we do feel entitled to predict that no one will ever detect one in our universe.



Tony Rothman et Stephen Boughn, Can Gravtion Be Detected ? 2006



On peut aussi découvrir l'argumentation technique de Dyson dans le texte, par exemple dans un compte-rendu de 2012 qui souligne bien les enjeux de sa problématique :



One hypothesis is that gravity is a quantum field and gravitons exist. A second hypothesis is that the gravitational field is a statistical concept like entropy or temperature, only de fined for gravitational effects of matter in bulk and not for effects of individual elementary particles. If the second hypothesis is true, then the gravitational field is not a local field like the electromagnetic field. The second hypothesis implies that the gravitational field at a point in space-time does not exist, either as a classical or as a quantum field.


Now I assert that both of the two hypotheses may or may not be experimentally testable. Analysis of the properties of graviton-detectors, following the methods of this paper, might be able to throw light on both hypotheses. Three outcomes are logically possible. If a graviton detector is possible and succeeds in detecting gravitons, then the rst hypothesis is true and the second is false. If a graviton detector is possible and fails to detect gravitons, then the rst hypothesis is false and the second is open. If a graviton detector is in principle impossible, then both hypotheses remain open. Even if their existence is not experimentally testable, gravitons may still exist.



Freeman Dyson, Is a Graviton Detectable? 06/08/2012



Heureusement, dans un lointain passé, la nature a (peut-être) fabriqué un amplificateur cosmique  


Si le graviton quantique échappe aux outils du physicien peut-être peut-il le saisir par des idées ? C'est en l'occurrence la proposition audacieuse de Lawrence M. Krauss et Franck Wilczek à travers deux courts articles dont le dernier est d'autant plus intéressant qu'il propose d'étayer son argumentation sur un résultat expérimental récent, celui de BICEP2 :


 Freeman Dyson has emphasized that no conventional experiment is capable of detecting individual gravitons. However, as we describe, if inflation occurred, the Universe, by acting as an ideal graviton amplifier, affords such access. It produces a classical signal, in the form of macroscopic gravitational waves, in response to spontaneous (not induced) emission of gravitons. Thus recent BICEP2 observations of polarization in the cosmic microwave background will, if confirmed, provide firm empirical evidence for the quantization of gravity


Lawrence M. KraussFrank WilczekFrom B Modes to Quantum Gravity and Unification of Forces, 04/2014





... cosmology provides a realistic observable that is directly tied to the quantization of gravity. Specifically, observation of a cosmological gravitational wave background associated with an inflationary phase would provide, as a bonus, compelling evidence for the quantization of the gravitational field. It does so in a way which is at least heuristically equivalent to all laboratory experiments that probe quantum phenomena–it


couples quantum mechanical phenomena to a classical detector, effectively amplifying quantum mechanical ffects so that they are classically measurable. The classical detector, in this case, is the expanding Universe.


The fact that quantization associated with gravity appears to be an essential feature of a gravitational wave background generated by inflation can be understood as follows: A period of inflation in the early universe results from a period of quasi-de Sitter expansion associated with a scalar field in an almost flat potential. If one considers a quantized approximately massless scalar field in de-Sitter space, expanded into Fourier components with quantized mode functions ... then it is straightforward to calculate the zero-point quantum fluctuations of these mode functions...


... if one treats these Fourier modes as quantum modes then there will be zero-point fluctuations in each of the two modes that can be directly derived from equation ... Once these modes leave the horizon during the Inflationary expansion, they freeze in, effectively amplifying the mode number while outside the horizon, and they return inside the horizon as a coherent superposition of many quanta, e.g. as a classical wave. These waves, originating as quantum fluctuations, then have a dimensionless power spectrum at the horizon ... The fact that this calculation relies on gravitational modes originating as quantum fluctuations strongly suggests that the effect is essentially quantum-mechanical, but that conclusion is not logically forced. After all, many – in principle, all! – classical effects can also be calculated quantum mechanically, and sometimes that approach is simpler or more direct....


Through inflation, the Universe can act effectively as a graviton detector built on an “impractical scale”. It amplifies a quantum mechanical effect to where it can be detected as a classical, observable signal, and may provide compelling empirical support for the quantization of gravity. Thus we both illustrate and transcend, rather than contradict, the arguments of T. Rothman and S. Boughn.



Lawrence M. Krauss et Franck Wilczek, Using Cosmology to Establish the Quantization of Gravity, 2013



Remarque : c'est moi qui ai mis en caractère gras certains passages. Par contre le texte souligné est une mise en exergue par les auteurs de l'article d'une hypothèse fondamentale sur laquelle repose leur argumentation.






mardi 8 avril 2014

Est-ce (c'est) la fin de l'histoire de (la construction du modèle standard de) la physique des particules ?

//Travail de rédaction encore en cours

Le Modèle Standard (entièrement validé) est(-il) désormais la Théorie Standard (achevée) des particules (?)
Prenons prétexte de ce que le dernier grand raout  des physiciens des particules réunissant il y a un peu plus d'un mois expérimentateurs et théoriciens aux Rencontres de Moriond 2014 s'est achevé sur la confirmation éclatante de la validité du Modèle Standard (et l'absence de signes directs clairs d'une nouvelle physique) pour rappeler cette réflexion du grand physicien et prix Nobel japonais Yiochiro Nambu :
The Sakata-Taketani methodology is summarized in Taketani's three stage thesis. It posits that the progress in physics goes through a cycle of three stages. 
Stage 0 
We start with the discovery of new phenomena which are outside of the existing physical laws. 
Stage 1: Phenomenology

Our first task would be to collect data, and try to find some order or regularities in them, then arrive at some empirical laws or representations that enable us to organize them and make predictions... 

Stage 2: Model building

...We want to interpret the origin of the regularities in terms of a model, in which concrete, often hypothetical, entities are introduced. Or else the model may be mathematical in nature... 

Stage 3: Definitive theory
The next and the final stage is to construct or invent a theory which incorporates the various models in a precise, all-inclusive mathematical system or laws, which describes all phenomena in a quantitatively correct way and can make precise predictions. We immediately recall the Standard Model (SM) as an example... In the past 15 [now 33] years or so its validity has been confirmed to an impressive degree of precision. It has all the features for a definitive theory of the three basic interactions. It is still called a model, perhaps because some aspects has not yet been confirmed [all its predictions have been confirmed in 2012], and perhaps also because of the large numbers of phenomenologically adjustable parameters which could be derived in a more complete theory. Nevertheless its confirmed validity is such that essentially it deserves to be called the Standard Theory. 



La méthodologie de Sakata - Taketani est résumée dans la thèse en trois étapes de Taketani . Le progrès de la physique est supposé passer par un cycle de trois étapes. 
Étape 0
On commence avec la découverte de nouveaux phénomènes qui sont hors du champ des lois physiques existantes. 
Étape 1: Phénoménologie
La première tache consiste à recueillir des données et essayer d'y trouver un peu d'ordre ou des régularités, pour arriver à des lois ou des représentations empiriques qui permettent de les organiser et de faire des prédictions ... 
Etape 2: Construction d'un modèle
... On cherche à interpréter l'origine des régularités en termes de modèle dans lequel on introduit des entités concrètes, souvent hypothétiques. Ou bien le modèle peut être de nature mathématique ... 
Étape 3: Théorie achevée
L'étape suivante est la dernière, elle vise à construire ou inventer une théorie qui intègre les différents modèles dans un système de lois mathématiques rigoureux et complet qui décrit tous les phénomènes d'une manière quantitativement correcte et peut faire des prédictions précises. On pense immédiatement au Modèle Standard (MS) par exemple ... Dans les 15 [aujourd'hui 33] dernières années sa validité a été confirmée à un degré de précision impressionnant. Il possède toutes les caractéristiques d'une théorie achevée des trois interactions fondamentales. Il est encore qualifié de modèle, peut-être parce que certains aspects n'ont pas encore été confirmé [toutes ses prédictions le sont depuis 2012] et peut-être aussi à cause du grand nombre de paramètres phéno-ménologiques ajustables  qui pourraient être obtenus dans une théorie plus complète. Néanmoins sa validité confirmée est telle qu'en pratique il mérite d'être appelé la théorie standard.
Yiochiro Nambu, Three Stages, Three Modes, and Beyond, 1996

Les passages entre crochets constituent naturellement des commentaires personnels qui actualisent les propos de Nambu tenus il y a maintenant plus de 18 ans mais qui gardent aujourd'hui plus encore qu'hier toutes leurs pertinences semble-t-il.



Les particules élémentaires ont désormais leurs tableaux de classification périodique [synoptique] (symmétrique) complets ...
En voici trois exemples. Le premier a été trouvé par l'intermédiaire du blog scientifique du journal Libération tenu par Sylvestre Huet. Il est tiré d'une revue du CEA et rappelle dans sa présentation le fameux tableau de classification périodique des éléments chimiques.

(Fabrice Mathé & Amélie Lorec /LES DEFIS DU CEA) Source


Le second ci-dessous est tiré d'une vidéo du CERN qui retrace en cinq minutes l'historique de la construction du Modèle Standard. Le tableau gagne une dimension spatiale supplémentaire qui renforce son caractère synoptique en mettant clairement en évidence la hiérarchie (verticale) des interactions fondamentales.




Le troisième tableau revient à une structure spatiale bidimensionnelle mais choisit d'ajouter la couleur qui manquait à la précédente présentation. Il offre une place centrale à la dernière particule élémentaire à avoir été découverte, attribuant ainsi au fameux boson de Higgs et au mécanisme de brisure spontanée de symétrie imaginé par Nambu le rôle d'une clé de voute. Mais son originalité est surtout dans sa forme circulaire : évocation géométrique concrète de la notion mathématique abstraite de symétrie de jauge qui a joué un rôle crucial dans les différentes étapes de la construction du Modèle Standard. On s'éloigne ainsi de la structure rectangulaire classique du tableau de classification des éléments chimiques qui reposait sur l'idée fondamentale de périodicité des propriétés chimiques. 

(Walter Murch, David Kaplan ? Mark Levinson?) Source

Signalons pour la petite histoire que cette structure circulaire retenue pour la présentation des particules élémentaires doit aussi à la chimie car elle est venue semble-t-il à son auteur principal, Walter Murch, suite à une inspiration dans la même veine que celui de Kékulé pour la structure cyclique de la molécule de benzène. 


L'épopée de la découverte de la dernière particule du Modèle Standard en cinémascope (et bientôt distribuée en France?)!
Le récit de l'aventure épique et des moyens gigantesques mis en oeuvre pour débusquer la dernière particule du Modèle Standard méritait bien un beau documentaire avec une large diffusion. C'est fait grâce en particulier au réalisateur  (et ancien physicien théoricien) Mark Levinson aidé du professeur David Kaplan  et du monteur Walter Murch déjà cités. 



mardi 1 avril 2014

On a découvert un monde miroir ! / A-t-on déjà vu de la matière noire ?

Les physiciens des particules peuvent rêver à autre chose que SUSY (un 1er avril;-)
Recent astrophysical data indicates that dark matter shows a controversial behaviour in galaxy cluster collisions. In case of the notorious Bullet cluster, dark matter component of the cluster behaves like a collisionless system. However, its behaviour in the Abell 520 cluster indicates a significant self-interaction cross-section. It is hard for the WIMP based dark matter models to reconcile such a diverse behaviour. Mirror dark matter models, on the contrary, are more flexible and for them diverse behaviour of the dark matter is a natural expectation... 
If the mirror dark matter were as popular as the SUSY dark matter, we would say that it is already discovered. However, it would be more fair to conclude that we need more observational evidence to firmly prove this fascinating conjecture.
Z.K. Silagadze, Mirror dark matter discovered?, 19/08/2008

La physique de l'autre côté du miroir 
It is still widely known that in their famous article [9] Lee and Yang revealed “The fact that parity conservation in the weak interactions was believed for so long without experimental support” [10] and hypothesized the possibility of parity non-conservation in the weak interactions. The hypothesis turned out to be true, as the subsequent experiments had shown, and nowadays it is a firmly established fact that our universe is left-handed as far as the weak interactions are concerned. What is not so widely known is the fact that at the end of the very same paper Lee and Yang indicated how left-right symmetry of the world could be rescued by duplicating the non-symmetric part of our left-handed universe in the mirror...
After a decade, Kobzarev, Okun and Pomeranchuk, influenced by the Landau’s idea of combined parity and subsequent experimental discovery of CP-violation, digged out the mirror matter concept from the literature horizon and gave it the first serious phenomenological consideration [6]. This paper marked the real beginning of the mirror matter story. It was argued that almost all elementary particles should be duplicated (with possible exclusion of some neutral particles) and that the mirror particles can not have common strong and electromagnetic interactions with ordinary particles. The concepts of “Mirror Matter” and corresponding invisible “Mirror World”(after Lewis Carroll’s Alice Through the Looking Glass), as complex as our own world, were introduced in this work for the first time and observational effects of the mirror matter were investigated. Some further investigations of possible astrophysical effects of the hidden sector particles followed [14, 15, 16], but the idea was still not far from the literature horizon until it was rediscovered in the modern context of renormalizable gauge theories by Foot, Lew and Volkas [17] and used in the context of neutrino oscillations [18, 19]. Okun’s recent review [20] cites more than 250 references related to the mirror matter idea and we hope that it remains outside the literature horizon. However the idea is still little known to the majority of physicists, oriented at the mainstream.
ibid. 

La physique de l'autre côté du mur
“In the Soviet scientific society the scientists had one freedom that scientists in the West lacked and still lack (perhaps the only real freedom that Eastern scientists had), and that was to spend time also on esoteric questions. They did not have to be scrutinized by funding agencies every now and then” [84]. The Soviet Union disappeared and so did this freedom. You can consider this paper, if you like, as a nostalgia for this kind of freedom, enabling to escape bonds of the stiff pragmatic logic.
Z. K. Silagadze, TeV scale gravity, mirror universe, and . . . dinosaurs, 2000