Dans notre univers, le reflet de la main gauche semble être la main droite. La plupart des lois de la nature sont symétriques par rapport aux images miroir et obéissent aux mêmes lois - à l'exception des interactions faibles. Pour une raison quelconque, seules les particules de gauche interagissent faiblement, mais pas celles de droite.
Agitez votre main dans le miroir et votre reflet vous retournera. Cependant, il le fera avec la main opposée à celle que vous utilisez. Pour la plupart d'entre nous, ce n'est pas un problème - nous pouvons agiter l'autre main, et la réflexion, à son tour, agitera le contraire. Mais pour l'Univers, certaines interactions ne fonctionnent que pour les particules gauches - en particulier, pour les particules subissant des interactions faibles . Leurs versions du côté droit, quel que soit notre aspect, n'ont pas pu être trouvées.
Mais pourquoi? Où l'Univers a-t-il une telle qualité, et pourquoi ne se manifeste-t-il qu'en cas d'interaction faible? Après tout, les interactions fortes, électromagnétiques et gravitationnelles sont idéalement symétriques par rapport aux configurations du côté gauche et du côté droit. Ce fait scientifique a été vérifié dans de nombreuses expériences, et de nouvelles expériences sont déjà en préparation pour le vérifier encore plus profondément. Et bien qu'il soit bien décrit par la physique du modèle standard, personne ne sait vraiment pourquoi l'univers fonctionne de cette façon. Voici ce que nous savons jusqu'à présent.
Surmonter la barrière quantique s'appelle l' effet tunnel . C'est l'une des étranges propriétés de la mécanique quantique. Les particules quantiques elles-mêmes ont également leurs propriétés inhérentes - masse, charge, spin - qui ne changent pas après les mesures.
Imaginez-vous comme une particule. Vous vous déplacez dans l'espace, vous avez certaines propriétés quantiques comme la masse et la charge. Et vous avez non seulement le moment cinétique par rapport à toutes les particules (et antiparticules) autour de vous, mais aussi votre moment cinétique interne par rapport à la direction de votre mouvement - spin . Vos propriétés, comme les particules, déterminent complètement le type de particule que vous êtes.
Avec vos mains, vous pouvez imaginer deux versions de vous-même: gaucher et droitier. Tout d'abord, pointez vos deux pouces d'un côté - de chaque côté, mais un. Serrez le reste de vos doigts. Si vous regardez maintenant les pouces pour qu'ils soient dirigés vers vous, vous verrez comment les dos diffèrent - toutes les particules gauches de ce point de vue "tournent" dans le sens des aiguilles d'une montre [la rotation est dirigée contre le mouvement], et les droitiers dans le sens antihoraire [la rotation est dirigée par motion].
La polarisation à gauche est inhérente à 50% des photons, et la polarisation à droite est inhérente aux 50% restants. Lorsqu'une paire de particules (ou une paire de particules-antiparticule) est créée, leurs spins (leur moment angulaire interne) sont toujours résumés tout en maintenant le moment angulaire total du système. Il n'y a rien que vous puissiez faire pour changer la polarisation d'une particule sans masse comme un photon.
La plupart du temps, les physiciens ne se soucient pas de votre spin - toutes les lois et règles restent les mêmes. Le plateau obéit aux mêmes lois de la physique, qu'il tourne dans le sens horaire ou antihoraire. La planète obéit aux mêmes règles, elle tourne autour d'un axe le long ou contre la direction du mouvement en orbite. Un électron "tournant" passant au niveau d'énergie inférieur dans un atome émettra un photon quelle que soit la direction de son spin. Dans presque toutes les circonstances, les lois de la physique sont dites symétriques gauche-droite .
La «symétrie miroir» est l'une des trois classes fondamentales de symétrie qui peuvent être appliquées aux particules et aux lois de la physique. Dans la première moitié du XXe siècle, nous pensions qu'il y avait toujours des symétries conservées, dont trois étaient:
- La symétrie de la parité spatiale (P), selon laquelle les lois de la physique sont les mêmes pour les particules et pour leurs réflexions miroir.
- Symétrie de charge ©, selon laquelle les lois de la physique sont les mêmes pour les particules et les antiparticules.
- Symétrie par rapport à l'inversion du temps (T), selon laquelle les lois de la physique ne changent pas selon que le système avance ou recule dans le temps.
Selon toutes les lois classiques de la physique, ainsi que la relativité générale et même l'électrodynamique quantique, ces symétries sont toujours préservées.
La nature n'est pas symétrique pour les particules / antiparticules, pour les réflexions spéculaires des particules, ou pour toutes ces propriétés à la fois. Avant la découverte des neutrinos brisant la symétrie du miroir, seules les particules à faible interaction étaient des briseurs potentiels de symétrie P.
Mais pour vous assurer que l'univers est vraiment symétrique pour toutes ces transformations, vous devez les tester de toutes les manières possibles. Le premier indice que quelque chose n'allait pas avec cette image est venu en 1956, lorsque nous avons détecté pour la première fois expérimentalement des neutrinos. Cette particule a été introduite en 1930 par Wolfgang Pauli sous la forme d'un minuscule quantum neutre, capable de transporter de l'énergie pendant la désintégration radioactive. Après une telle annonce, Pauli souvent cité s'est plaint: «J'ai fait quelque chose de terrible. J'ai postulé l'existence d'une particule qui ne peut être détectée. "
Puisqu'il a été prédit que les neutrinos interagissent avec la matière ordinaire, la section efficace est négligeable, Pauli n'a vu aucun moyen réaliste de les détecter. Cependant, après quelques décennies, les scientifiques n'ont pas seulement été capables de diviser l'atome - les réacteurs nucléaires sont devenus monnaie courante. Selon Pauli, ces réacteurs devraient produire de grandes quantités d'antiparticules neutrino - antineutrinos. Un détecteur a été construit près du réacteur nucléaire et le premier antineutrino a été découvert en 1956, 26 ans plus tard.
Frédéric Reines, à gauche, et Clyde Cowan, à droite, au panneau de contrôle de l'expérience Savannah River, où l'antineutrino électronique a été découvert en 1956. Tous les antineutrinos sont droitiers et tous les neutrinos sont gauchers, sans exception. Bien que le modèle standard décrit tout cela avec précision, il n'y a pas de raison fondamentale à cela.
Cependant, quelque chose d'intéressant a été remarqué à propos de ces neutrinos: tous, sans exception, étaient droitiers, leur spin était dirigé le long de leur mouvement. Plus tard, nous avons également commencé à trouver des antineutrinos et avons découvert qu'ils étaient tous gauchers, avec une rotation vers l'arrière.
Il peut sembler que de telles mesures ne peuvent être effectuées. Si les neutrinos (et les antineutrinos) sont si difficiles à détecter car ils interagissent très rarement avec d'autres particules, comment pouvons-nous même mesurer leurs spins?
Le fait est que nous apprenons leur spin non pas à la suite de mesures directes, mais à la suite de l'étude des propriétés des particules qui apparaissent après interaction. C'est ce que nous faisons avec toutes les particules que nous ne pouvons pas mesurer directement, y compris le boson de Higgs, la seule particule fondamentale de spin zéro connue aujourd'hui.
Canaux de désintégration du boson de Higgs - observés et prédits par le modèle standard. Inclut les dernières données des expériences ATLAS et CMS. Incroyable coïncidence, mais aussi décevante. D'ici les années 2030, le LHC aura accumulé environ 50 fois plus de données, mais la précision dans de nombreux canaux de désintégration restera toujours au niveau de quelques pour cent. Le nouveau collisionneur pourrait augmenter la précision de plusieurs ordres de grandeur et éventuellement découvrir l'existence de nouvelles particules.
Comment c'est fait?
Le boson de Higgs se désintègre parfois en deux photons, dont le spin peut être +1 ou -1. Il s'ensuit que le spin du boson de Higgs peut être 0 ou 2, puisque ce sera la somme ou la différence des spins des photons. D'autre part, parfois le boson de Higgs se désintègre en une paire quark / antiquark, dont chacun a un spin de + ½ ou –½. Les additionner et les soustraire donne 0 ou 1. Une de ces mesures ne nous donnerait pas le spin du boson de Higgs, mais ensemble, elles ne laissent qu'une seule valeur possible, 0.
Des technologies similaires ont été utilisées pour mesurer le spin des neutrinos et des antineutrinos, et la plupart des scientifiques s'étonnent que l'univers et sa réflexion spéculaire ne soient pas les mêmes. Si vous placez un miroir devant un neutrino gaucher, son reflet sera droitier - comme dans le cas de la main gauche, qui semble être droite dans le miroir. Cependant, dans notre Univers, il n'y a pas de neutrinos droitiers, tout comme il n'y a pas d'antineutrinos gauchers. Pour une raison quelconque, l'univers se soucie.
Si vous attrapez un neutrino ou un antineutrino se déplaçant dans une certaine direction, vous verrez que leur moment angulaire interne tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, selon qu'il s'agit d'un neutrino ou d'un antineutrino.
Comment comprendre tout cela?
Les théoriciens Li Zhengdao et Yang Zhenning ont proposé l'idée des lois de parité et ont montré que bien que la parité semble être une symétrie parfaite, préservée dans les interactions fortes et électromagnétiques, elle n'a pas été correctement testée dans les faibles. De faibles interactions se produisent lorsque, pendant la désintégration, une particule se transforme en une autre - un muon se transforme en électron, un quark étrange en un quark ascendant, un neutron en proton (lorsqu'un de ses quarks descendants se désintègre, se transformant en un quark ascendant).
Si la parité était préservée, les interactions faibles (toutes et chacune) seraient identiques pour les particules de gauche et de droite. Mais en cas de violation, des interactions faibles ne se produiraient qu'avec des particules gauches. Si seulement il était possible de vérifier cela expérimentalement ...
Wu Jianxiong, à gauche, est un physicien expérimental remarquable et exceptionnel. Elle a fait de nombreuses découvertes importantes qui ont confirmé (ou réfuté) plusieurs prédictions théoriques importantes. Elle n'a jamais reçu le prix Nobel.
En 1956, Wu Jianxiong a prélevé un échantillon de cobalt-60, un isotope radioactif du cobalt, et l'a refroidi à près de zéro absolu. On sait que le cobalt-60 est converti en nickel-60 pendant la désintégration bêta. Une interaction faible convertit l'un des neutrons du noyau en proton, au cours duquel un électron et un antineutrino sont émis. En appliquant un champ magnétique au cobalt, les spins de tous les atomes peuvent être alignés.
Si la parité était préservée, il serait possible d'observer que les électrons émis - également appelés particules bêta - auraient à la fois des spins parallèles et antiparallèles. Si la parité était violée, alors tous les électrons émis seraient antiparallèles. Le formidable résultat de l'expérience de Wu n'était pas seulement que tous les électrons émis étaient antiparallèles, mais qu'ils étaient aussi antiparallèles que possible en théorie. Quelques mois plus tard, Pauli écrivit dans une lettre à Victor Weisskopf : "Je ne peux pas croire que Dieu soit un gaucher faible."
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Cependant, seules les particules gauches sont impliquées dans l'interaction faible - du moins à en juger par nos mesures. À cet égard, une question intéressante se pose, sur laquelle nous n'avons pas encore effectué de mesures: lorsque les photons participent à une interaction faible, les photons gauchers et droitiers y jouent-ils un rôle, ou seulement les gauchers? Par exemple, le joli quark (b) se transforme en un (s) étrange (s) dans les interactions faibles, ce qui se produit généralement sans la participation de photons. Cependant, une infime fraction de quarks b, moins de 1 sur mille, se transformera toujours en quark s avec l'émission d'un photon. Le phénomène est rare, mais vous pouvez l'étudier.
On s'attend à ce qu'un tel photon soit toujours gaucher. Nous pensons que la parité dans le modèle standard fonctionne comme ceci (rupture des interactions faibles). Mais si le photon peut parfois s'avérer droitier, une autre fissure apparaîtra dans notre compréhension actuelle de la physique. Parmi les prédictions des résultats d'une telle décomposition, on peut citer les suivantes:
- polarisation inattendue d'un photon,
- le pourcentage de différents cas de décomposition qui est différent de celui attendu,
- violation de l'invariance CP .
Mieux encore, de telles opportunités peuvent être étudiées par la collaboration LHCb au CERN. Récemment, ils ont juste installé la limite la plus stricte jamais vue sur la possibilité de photons droitiers. Si le graphique ci-dessous, à la suite d'expériences supplémentaires, est courbé de sorte qu'il cesse d'inclure l'origine (0, 0), cela signifie que nous avons découvert une nouvelle physique.
Les parties réelle et imaginaire des coefficients de Wilson droitier (C7-premier) et gauche (C7) en physique des particules doivent rester autour du point (0, 0) pour que le modèle standard reste correct. Les mesures de diverses désintégrations impliquant des quarks b et des photons aident à imposer les restrictions les plus strictes à ces conditions. Dans un proche avenir, la collaboration LHCb menace d'effectuer des mesures encore plus précises.
Nous pouvons certainement dire que l'Univers est idéalement symétrique par rapport aux images miroir, remplaçant les particules par des antiparticules, la direction du temps dans laquelle se déroulent les processus - pour toutes les interactions et forces, sauf une. Dans les interactions faibles, et uniquement dans celles-ci, ces symétries ne sont pas conservées. Toutes les mesures que nous avons prises montrent que Pauli serait resté perdu aujourd'hui. 60 ans après la première découverte de la rupture de symétrie, il apparaît que les interactions faibles ne sont associées qu'aux particules gauches.
Puisque les neutrinos ont une masse, l'une des expériences les plus étonnantes serait celle dans laquelle nous pourrions nous approcher très près de la vitesse de la lumière. Ensuite, nous dépasserions le neutrino gaucher de sorte que son spin de notre point de vue change pour le contraire. Une particule montrerait-elle soudainement les propriétés d'un antineutrino droitier? Ou deviendrait-il droitier mais se comporterait-il toujours comme un neutrino? Quelles que soient ses caractéristiques, il pourrait nous révéler de nouvelles informations sur la nature fondamentale de l'Univers. Jusqu'à ce jour, notre meilleure opportunité de déterminer si l'univers est vraiment aussi gaucher qu'il nous semble serait des mesures indirectes. Une telle expérience est actuellement en cours au CERN, où ils recherchent une double désintégration bêta sans neutrine .