Science Made Simple: Qu'est-ce que la symétrie en physique ?

La symétrie en physique explore le comportement des particules sous les renversements spatiaux, temporels et des nombres quantiques, impliquant à la fois des changements discrets et continus. Elle sous-tend la cohérence des lois naturelles et la reproductibilité des expériences, influençant fortement les théories de la physique moderne telles que la supersymétrie et potentiellement la découverte de nouvelles particules et forces. Crédit : SciTechDaily.com

En physique, la symétrie se réfère à la façon dont les particules se comportent lorsque l'espace, le temps ou les nombres quantiques sont inversés. Nous sommes habitués à voir des types simples de symétrie dans la vie de tous les jours. Par exemple, un visage humain est très 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 ne ressemble pas 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.

La symétrie en physique concerne plus que simplement l'apparence et la forme. Cela contraste avec la symétrie en biologie, qui se réfère souvent à la symétrie en discutant de l'apparence des organismes et de la disposition de leurs corps.

En physique, la symétrie peut se référer au fait que les lois de la nature sont insensibles aux changements dans l'identité ou les propriétés de certaines particules élémentaires. La symétrie peut aussi signifier des changements dans ce qui pourrait sembler être des descriptions mathématiques abstraites de la nature.

Un cadran de montre est un exemple de transformation de parité. L'apparence et le comportement du cadran de montre si le système de coordonnées est inversé est un test de la symétrie. Cette image montre à quoi ressemble et comment fonctionne la montre si elle est réfléchie dans un miroir. Crédit : Nathan Clarke, Département de l'Énergie de l'Office des Sciences

La symétrie se réfère souvent plutôt à la manière dont la nature se comporte lorsque les particules sont échangées avec leurs antiparticules (appelé "conjugaison de charge"), lorsque les coordonnées sont inversées, comme dans un miroir (appelé "inversion de parité"), ou lorsque le temps est inversé (revenir en arrière dans le "film"). Les physiciens appellent ces trois symétries C (pour charge), P (pour parité) et T (pour temps). La soi-disant symétrie CPT est discrète, elle se produit par étapes.

Les physiciens contrastent la symétrie discrète avec la symétrie continue, où il n'y a pas d'étapes entre les changements de symétrie. Un exemple est la symétrie rotationnelle comme tourner un cercle. Contrairement au cas de la rotation d'un carré, il n'y a pas de points où la rotation d'un cercle brise la symétrie.

Pour les scientifiques, la symétrie translationnelle dans le temps et l'espace est particulièrement importante. La symétrie translationnelle signifie que les lois de la nature mesurées par une personne à un moment donné et en un endroit donné ne changeront pas si elles sont mesurées par une autre personne à un autre moment et en 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 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.

Beaucoup des avancées en physique au cours des derniers siècles ont été basées sur une reconnaissance croissante de l'importance de la symétrie dans la génération de théories de la nature. Si les scientifiques peuvent déduire correctement quelles symétries sont valides, ils peuvent en apprendre davantage sur les types de choses possibles dans la nature, surtout avec les particules subatomiques. De nombreuses théories qui cherchent à améliorer le modèle standard de la physique des particules reposent sur la symétrie en tant que principe directeur. Par exemple, la théorie de la supersymétrie propose que toutes les particules du Modèle Standard aient un partenaire symétrique. En revanche, si les scientifiques observent qu'une symétrie est brisée alors qu'ils ne s'y attendaient pas, cette découverte peut indiquer de nouvelles façons possibles pour la nature de se comporter, y compris de nouvelles particules et forces.

La recherche des symétries fondamentales de la nature est une question si profonde et vaste qu'elle implique des physiciens avec des expertises différentes provenant de quatre des programmes du Département de l'Énergie de l'Office des Sciences.

Ces programmes comprennent les Sciences de base de l'énergie (BES), la Physique des hautes énergies (HEP), la Physique nucléaire (NP) et la Recherche informatique scientifique avancée (ASCR).

Les BES soutiennent des techniques pour la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux au niveau atomique. Ces matériaux présentent souvent des symétries brisées conduisant à une compréhension scientifique plus profonde et à de nouvelles fonctionnalités ayant un impact potentiel sur la mission énergétique du DOE.

Les NP soutiennent les physiciens qui utilisent des techniques avancées pour rechercher des symétries brisées pour les neutrons, les protons et divers isotopes nucléaires. Les NP soutiennent également les efforts pour rechercher une désintégration nucléaire encore inobservée connue sous le nom de désintégration double bêta sans neutrino. L'observation de cette désintégration montrerait la création de matière en laboratoire sans aucun antimatière compensatoire, une symétrie brisée essentielle pour comprendre pourquoi l'univers contient suffisamment de matière pour que nous puissions exister.

HEP supports physicists searching for ways that symmetry can be violated by using the Deep Underground Neutrino Experiment, the Large Hadron Collider, and other experiments. Meanwhile, ASCR supports the computer theory, hardware, and software scientists needed to conduct and interpret such data-rich experiments.