L’impact de l’ajout de dimensions dans la physique des particules

Initiation à la physique des particules, 2010, Université Laval

Pour qu’une théorie d’unification soit acceptée par tous, elle doit d’abord être vérifiée expérimentalement. Dans le cas de la théorie Kaluza-Klein ou celles qui en découlent (supergravité, théories des cordes), il s’agit donc de démontrer par l’expérimentation qu’il existe plus de 3 dimensions physiques. Il est entendu que l’élaboration d’une telle expérience rencontre plusieurs obstacles.

 

Tout d’abord, les différentes théories stipulent que ces dimensions supérieures ne sont pas visibles puisqu’elles sont de l’ordre de la longueur de Planck et repliées sur elles-mêmes. Pour atteindre une telle échelle, on doit atteindre l’énergie de Planck : EPlanck 1019 billions d’eV. Cette énergie est bien sûr inatteignable en ce moment et dans le futur, peu importe les technologies. En effet, cette énergie est de l’ordre de grandeur de celle présente au tout début de notre univers. Cette énergie est nécessaire, car c’est à ce seuil que toutes les lois de la physique sont unifiées.

 

Un deuxième problème est le coût des installations nécessaires pour vérifier ce type de théorie. La physique des particules utilise des accélérateurs de particules pour les faire collisionner et ensuite analyser les produits. Les particules doivent être accélérées sur plusieurs kilomètres avant d’atteindre la bonne énergie : plus un accélérateur est grand, plus les énergies élevées sont accessibles (si l’on omet les autres paramètres comme les champs magnétiques). Pour ainsi avoir un collisionneur efficace, il faut s’attendre à des coûts dans les milliards de dollars. Par exemple, le budget du plus récent collisionneur, le Large Hadron Collider (LHC) au CERN, qui est long de vingt-sept kilomètres, est de neuf milliards de dollars.

 

Finalement, le manque d’intérêt des gouvernements et des entreprises n’aide pas à financer ce type de projet. En effet, les secteurs militaires ou sociaux comme la santé ou l’éducation sont priorisés. Même dans le budget alloué aux recherches scientifiques, ce  sont les travaux appliqués qui prennent le dessus. Un bon exemple de ce problème est l’avortement du projet Superconducting Super Collider (SSC). Cet accélérateur aurait atteint des énergies de 20 TeV par protons (encore 1016 fois plus petit que l’énergie de Planck) avec une longueur de 87,1 kilomètres. La construction fut arrêtée en 1993 lorsque les coûts estimés dépassaient les 12 milliards de dollars.

 

Malgré les difficultés que peut présenter la validation expérimentale de dimensions supérieures, il est tout de même envisageable que l’on puisse un jour le faire. Plusieurs idées utilisant différentes techniques sont à tester. On fera ici un bref survol de certaines idées que l’on retrouve dans la littérature.

Chapitre 3

Preuves expérimentales