La science simplifiée : qu’est-ce que la symétrie en physique ?

Qu'est-ce que la symétrie en physique ?

En physique, symétrie La symétrie fait référence au comportement des particules lorsque l'espace, le temps ou les nombres quantiques sont inversés. Nous sommes habitués à voir des types simples de symétrie dans la vie quotidienne. Par exemple, un visage humain est presque symétrique lorsqu'il est réfléchi de gauche à droite. Mais un visage est complètement asymétrique lorsqu'il est réfléchi de haut en bas : la moitié supérieure d'un visage n'est pas identique à la moitié inférieure. De petits changements peuvent briser la symétrie. Par exemple, un visage avec un grain de beauté sur une joue briserait la symétrie gauche-droite.

En physique, la symétrie ne se limite pas à l'apparence et à la forme. En biologie, elle fait souvent référence à la symétrie lorsqu'elle aborde l'apparence des organismes et la manière dont leur corps est organisé.

En physique, la symétrie peut faire référence au fait que les lois de la nature ne sont pas influencées par les changements d'identité ou de propriétés de certaines particules élémentaires. La symétrie peut également signifier des changements dans ce qui peut sembler être des descriptions mathématiques abstraites de la nature.

Un cadran d'horloge est un exemple de transformation de parité. L'apparence et le comportement du cadran d'horloge si le système de coordonnées est inversé constituent un test de symétrie. Cette image montre à quoi ressemble l'horloge et à quoi elle fonctionne si elle est réfléchie dans un miroir. Crédit : Nathan Clarke, Department of Energy Office of Science

La symétrie fait souvent référence à la façon dont la nature se comporte lorsque des particules sont échangées avec leurs antiparticules (appelée « conjugaison de charge »), lorsque les coordonnées sont inversées comme dans un miroir (appelée « inversion de parité ») ou lorsque le temps est inversé (le « film » est inversé). Les physiciens appellent ces trois symétries C (pour charge), P (pour parité) et T (pour temps). La symétrie dite CPT est discrète : elle se produit par étapes.

Les physiciens opposent la symétrie discrète à la symétrie continue, où il n'y a pas d'étapes entre les changements de symétrie. Un exemple est la symétrie de rotation, comme la rotation d'un cercle. Contrairement au cas de la rotation d'un carré, il n'y a aucun point où la rotation d'un cercle brise la symétrie.

Pour les scientifiques, la symétrie de translation dans le temps et dans l'espace est particulièrement importante. La symétrie de translation signifie que les lois de la nature mesurées par une personne à un moment donné et à un endroit donné ne changeront pas si elles sont mesurées par une autre personne à un autre moment et à un autre endroit. Sans cette symétrie, les sciences physiques et les lois universelles de la nature ne fonctionneraient pas. En d'autres termes, la symétrie dans le temps et dans l'espace est ce qui rend les expériences reproductibles et la science possible.

Comprendre les symétries et les symétries brisées est important pour comprendre les propriétés physiques de la matière et de notre univers.

De nombreuses avancées en physique au cours des derniers siècles reposent sur une reconnaissance croissante de l'importance de la symétrie dans l'élaboration des théories de la nature. Si les scientifiques parviennent à déduire correctement quelles symétries sont valides, ils peuvent en apprendre davantage sur les types de choses possibles dans la nature, en particulier avec les particules subatomiques. De nombreuses théories qui cherchent à améliorer le modèle standard de la physique des particules s'appuient sur la symétrie comme principe directeur. Par exemple, la théorie de la supersymétrie propose que toutes les particules du modèle standard aient un partenaire symétrique. Inversement, si les scientifiques observent une rupture de symétrie alors qu'ils ne s'y attendaient pas, cette découverte peut indiquer de nouvelles façons possibles pour la nature de se comporter. Cela peut inclure de nouvelles particules et de nouvelles forces.

Faits rapides

• La découverte de la violation de parité dans la désintégration bêta a été une découverte profonde, conduisant à une compréhension fondamentale de l’univers et des propriétés des neutrinos.
• Les considérations de symétrie ont joué un rôle crucial dans l'élaboration de la théorie générale de la relativité et de la mécanique quantique. Albert Einstein fut l'un des premiers à considérer explicitement la symétrie comme une considération primordiale dans l'élaboration des théories, bien qu'elles aient été utilisées implicitement dans le développement de la théorie de la gravité d'Isaac Newton et de la théorie de l'électricité et du magnétisme de James Clerk Maxwell.
• En 1918, Emmy Noether a découvert un lien profond entre l’existence de symétries continues et les lois de conservation. La conservation de l’énergie, par exemple, est intrinsèquement liée à la symétrie de translation temporelle et la conservation de l’impulsion est liée à la symétrie de translation spatiale.

Bureau des sciences du DOE : contributions à l'étude des symétries

La recherche des symétries fondamentales de la nature est une question si profonde et si vaste qu’elle mobilise des physiciens dotés d’expertises différentes issus de quatre programmes du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie.

Ces programmes comprennent les sciences énergétiques fondamentales (BES), la physique des hautes énergies (HEP), la physique nucléaire (NP) et la recherche en calcul scientifique avancé (ASCR).

Le BES soutient les techniques de synthèse et de caractérisation de nouveaux matériaux au niveau atomique. Ces matériaux présentent souvent des symétries brisées qui conduisent à une compréhension scientifique plus approfondie et à de nouvelles fonctionnalités ayant un impact potentiel sur la mission énergétique du DOE.

NP soutient les physiciens qui utilisent des techniques avancées pour rechercher des symétries brisées pour les neutrons, les protons et divers isotopes nucléaires. NP soutient également les efforts visant à rechercher une désintégration nucléaire encore jamais observée, connue sous le nom de désintégration bêta double sans neutrinos. L'observation de cette désintégration montrerait que la matière est créée en laboratoire sans aucune antimatière de contrepoids, une symétrie brisée qui est essentielle pour comprendre pourquoi l'univers contient suffisamment de matière pour que nous puissions exister.

Le HEP soutient les physiciens qui cherchent des moyens de violer la symétrie en utilisant l'expérience Deep Underground Neutrino, le Grand collisionneur de hadrons et d'autres expériences. Parallèlement, l'ASCR soutient les scientifiques en théorie informatique, en matériel et en logiciels nécessaires pour mener et interpréter ces expériences riches en données.

Ressources et sites connexes

• Lisez l'aperçu de la symétrie du lauréat du prix Nobel David Gross : Le rôle de la symétrie en physique fondamentale
• Programme de physique nucléaire du Bureau des sciences du DOE
• Le programme de physique des hautes énergies du Bureau des sciences du DOE et ses expériences de physique des hautes énergies à la frontière de l'intensité
• Programme de sciences fondamentales de l'énergie du Bureau des sciences du DOE
• Programme de recherche en informatique scientifique avancée du Bureau des sciences du DOE
• Renseignez-vous sur l'expérience sur les neutrinos souterrains profonds soutenue par le programme HEP du Bureau des sciences du DOE.
• Découvrez les expériences de désintégration bêta double sans neutrinos à l'échelle de la tonne soutenues par le programme NP du DOE Office of Science : LEGEND, nEXO et CUPID.
• Apprenez-en plus sur les tests de symétries fondamentales utilisant des isotopes rares à l'installation utilisateur du Bureau des sciences pour les faisceaux d'isotopes rares.
• Apprenez-en plus sur la recherche du moment dipolaire électrique des neutrons à la source de neutrons de spallation, une installation utilisateur du Bureau des sciences.