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• Prix Nobel de physique 2008

Voici quelques extraits d’ un article de Laurent Sacco, Futura-Sciences :

Le prix Nobel de physique 2008 récompense des travaux visionnaires dans le domaine de la physique des particules faisant intervenir la notion capitale de symétrie brisée.

Les trois lauréats sont tous d’origine japonaise même si l’un d’entre eux, Yoichiro Nambu, a été naturalisé Américain. Les deux autres récipiendaires, Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa se sont illustrés, tout comme Nambu, par leurs travaux sur la théorie des interactions nucléaires.

Au cœur des équations de la physique moderne se trouve la notion fondamentale de symétrie. Un système physique est symétrique s’il reste invariant sous l’action d’une opération de transformation quelconque. Ainsi, une sphère est-elle invariante par rotation, un réseau cristallin parfait apparaîtra invariant selon certaines opérations de translation, etc. Il se trouve que les équations décrivant les phénomènes du monde, particulièrement celles respectant les lois de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité sont presque uniquement fixées par des exigences d’invariances par des opérations de symétries.

Ainsi l’impossibilité de déterminer, à l’aide d’expériences de mécanique et d’optique, si l’on est au repos ou en mouvement à une vitesse rectiligne uniforme, tout comme l’invariance de la vitesse de la lumière dans des référentiels en mouvements relatifs, imposent aux lois de la physique des restrictions qui se manifestent par la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, avec l’équivalence de la masse et de l’énergie, la dilatation du temps et bien d’autres conséquences.

Toutefois, si les équations doivent rester invariantes, certaines de leurs solutions peuvent ne pas être symétriques dans un sens donné : on parle alors de brisure spontanée de la symétrie. L’exemple le plus connu est celui d’un crayon en équilibre sur sa pointe. L’ensemble est invariant par rotation mais, si le crayon tombe, il déterminera une direction particulière de l’espace et la symétrie aura ainsi été brisée.

Symetrie brisée

Rien ne distingue les directions autour de la pointe. Mais en tombant, le crayon en choisit une. Pourquoi ? Crédit : nobelprize.org

Dans les années 1930, cette notion a été utilisée par l’un des créateurs de la mécanique quantique, Werner Heisenberg, pour expliquer le ferromagnétisme, c’est-à-dire le fait que ( en dessous d’une certaine température critique ) des matériaux pouvaient s’aimanter spontanément. Si l’on compare des atomes à des petits aimants, orientés dans n’importe quelle direction par l’agitation thermique à haute température, l’ensemble n’est pas orienté en moyenne dans une direction donnée. Il y a donc bien invariance par rotation. Mais à plus basse température, les aimants atomiques finissent par s’orienter spontanément dans une seule direction et un objet macroscopique devient aimanté : la symétrie par rotation a été brisée.

C’est ce genre de phénomène que Yoichiro Nambu, né au Japon en 1921 et aujourd’hui naturalisé Americain, a transposé dans le domaine de la théorie quantique des champs de particules, à partir d’un exemple utilisé pour décrire une autre propriété de la matière condensée, la supraconductivité. En 1960, il a ainsi proposé d’appliquer la notion de symétrie brisée d’Heisenberg à la théorie des interactions nucléaires entre nucléons, prolongeant ainsi les travaux de son compatriote japonais, Hideki Yukawa. Le reste du prix Nobel est lui attribué conjointement à deux Japonais, Makoto Kobayashi, 64 ans, professeur honoraire du centre de recherches de Tsukuba, et Toshihide Maskawa, 68 ans, professeur honoraire à l’Institut de physique théorique Yukawa.

En 1972, ils s’intéressèrent à la découverte d’une autre symétrie brisée en physique, la " violation CP ", qui implique que certaines réactions entre particules élémentaires ne se produisent pas avec une même probabilité si l’on remplace chaque particule par son antiparticule et que l’on considère l’image dans un miroir du dispositif expérimental avec les antiparticules à la place des particules. Kobayashi et Maskawa cherchèrent si le modèle des interactions nucléaires forte et faible connu à l’époque était susceptible de contenir cette violation de la symétrie CP. Cette violation CP constitue aujourd’hui un ingrédient fondamental pour espérer comprendre pourquoi et comment notre Univers est devenu dominé par la matière alors que le Big Bang a dû produire autant d’antimatière. Ces travaux des deux Japonais, en plus de la prédiction de trois nouvelles familles de quarks, donnent une bonne raison de leur attribuer pour partie, au moment où démarre le LHC, le prix Nobel de physique 2008.

Pour lire l’ article complet ( mais ça devient compliqué ), aller sur :

auteur de cet article : Alain LE FOL