Les physiciens ont introduit le concept de carquois magnétiques pour analyser les théories quantiques des champs (QFT), révélant ainsi de nouvelles façons de visualiser les interactions et les propriétés au sein de ces systèmes. Crédit : Issues.fr.com
Un concept simple de désintégration et de fission des « frémissements magnétiques » aide à clarifier la physique quantique complexe et les structures mathématiques.
Les chercheurs ont utilisé des carquois magnétiques pour approfondir les principes fondamentaux de la physique quantique, en particulier à travers le prisme des théories quantiques des champs supersymétriques. Ils ont fourni une nouvelle interprétation du mécanisme de Higgs, illustrant la manière dont les particules gagnent en masse ainsi que la désintégration et la fission potentielles au sein des QFT.
Étude pionnière en physique quantique
Une équipe de recherche internationale dirigée par Marcus Sperling, chef de projet du prix START à la Faculté de physique de l'Université de Vienne, a suscité l'intérêt de la communauté scientifique avec des résultats pionniers en physique quantique : dans leur étude actuelle, les chercheurs réinterprètent le mécanisme de Higgs, qui donne de la masse aux particules élémentaires et déclenche des transitions de phase, en utilisant le concept de « carquois magnétiques ». Le travail a maintenant été publié dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique.
Le fondement des recherches de Marcus Sperling, qui se situent à l'intersection de la physique et des mathématiques, est la théorie quantique des champs (QFT) – un concept physico-mathématique de la physique quantique axé sur la description des particules et de leurs interactions au niveau subatomique. Depuis 2018, il a développé avec ses collègues ce que l'on appelle les « carquois magnétiques », un outil graphique qui résume toutes les informations nécessaires pour définir un QFT, affichant ainsi de manière claire et intuitive les interactions complexes entre les champs de particules ou d'autres grandeurs physiques.
La désintégration et la fission des carquois magnétiques donnent un aperçu des fondements physiques et mathématiques des théories quantiques des champs. Les QFT constituent le cadre de description d'innombrables phénomènes physiques : des particules subatomiques à l'univers. Crédit : Pedro del Real
Carquois magnétiques métaphoriques
Un carquois est constitué de flèches et de nœuds dirigés. Les flèches représentent les champs quantiques (champs de matière), tandis que les nœuds représentent les interactions – par exemple fortes, faibles ou électromagnétiques – entre les champs. La direction des flèches indique comment les champs sont chargés lors des interactions, par exemple quelle charge électrique portent les particules.
Marcus Sperling explique : « Le terme « magnétique » est également utilisé métaphoriquement ici pour désigner les propriétés quantiques inattendues rendues visibles par ces représentations. Semblables au spin d’un électron, qui peut être détecté à travers un champ magnétique, les frémissements magnétiques révèlent certaines propriétés ou structures des QFT qui peuvent ne pas être évidentes au premier coup d’œil.
Ainsi, ils offrent un moyen pratique de visualiser et d’analyser des phénomènes quantiques complexes, facilitant ainsi de nouvelles connaissances sur les mécanismes sous-jacents du monde quantique.
QFT supersymétriques
Pour la présente étude, les états fondamentaux stables (vacua) – la configuration d’énergie la plus basse dans laquelle aucune particule ou excitation n’est présente – dans une variété de « QFT supersymétriques » ont été explorés. Ces QFT, avec leur symétrie spatio-temporelle simplifiée, servent d'environnement de laboratoire, car ils ressemblent à de véritables systèmes physiques de particules subatomiques mais possèdent certaines propriétés mathématiques qui facilitent les calculs.
Sperling, lauréat du prix FWF START, a déclaré : « Nos recherches portent sur les principes fondamentaux de notre compréhension de la physique. Ce n’est qu’après avoir compris les QFT dans notre environnement de laboratoire que nous pourrons appliquer ces informations à des modèles QFT plus réalistes. Le concept de carquois magnétiques – l'un des principaux sujets de recherche du projet START de Sperling à l'Université de Vienne – a été utilisé comme outil pour fournir une description géométrique précise du nouveau vide quantique.
Désintégration et fission : le mécanisme de Higgs réinterprété
Grâce à des calculs basés sur l'algèbre linéaire, les chercheurs Antoine Bourget (Université Paris Saclay), Marcus Sperling et Zhenghao Zhong (Université d'Oxford) ont démontré que – à l'instar de la radioactivité des noyaux atomiques – un frémissement magnétique peut se désintégrer dans un état plus stable ou se fissionner en un état plus stable. deux carquois distincts. Ces transformations offrent une nouvelle compréhension du mécanisme de Higgs dans les QFT, qui se désintègrent en QFT plus simples ou se divisent en QFT séparés et indépendants.
Le physicien Sperling a déclaré : « Le mécanisme de Higgs explique comment les particules élémentaires acquièrent leur masse en interagissant avec le champ de Higgs, qui imprègne l'univers entier. Les particules interagissent avec ce champ lorsqu’elles se déplacent dans l’espace – comme un nageur se déplaçant dans l’eau.
Une particule qui n’a pas de masse se déplace généralement à la vitesse de la lumière. Cependant, lorsqu’il interagit avec le champ de Higgs, il « colle » à ce champ et devient lent, conduisant à la manifestation de sa masse. Le mécanisme de Higgs est donc un concept crucial pour comprendre les éléments constitutifs et les forces fondamentales de l’univers.
Mathématiquement, l'algorithme « désintégration et fission » est basé sur les principes de l'algèbre linéaire et une définition claire de la stabilité. Il fonctionne de manière autonome et ne nécessite aucun apport externe.
Les résultats obtenus grâce à des méthodes inspirées de la physique sont non seulement pertinents en physique mais également en recherche mathématique : ils offrent une description fondamentale et universellement valable des structures complexes et entrelacées du vide quantique, ce qui représente une avancée significative en mathématiques.
