Unification des forces

[Sylvestre]

Bonjour à tous,

Comme le CERN a fait une journée porte ouverte aujourd'hui, je me pose plein de question de physique des particules.
Je me pose une question concernant ce que l'on nomme l'unification des forces fondamentales. Je sais qu'il en existe 4 : la force nucléaire forte, la nucléaire faible, l'électromagnétique et la gravitation.
Ce qui me turlupine, c'est que j'entends souvent que ces forces se réunissent lorsque l'on "atteint certains niveaux d'énergie". Ce que je ne comprends, c'est que s'il existe une théorie physique qui exprime cette unification (j'imagine que cela veut dire que dans celle-ci toutes les forces sont exprimées par un seul concept), alors pourquoi ne pourrait-on pas l'utiliser pour décrire les forces à tous les niveaux d'énergie.
Je précise encore ma question pour le cas où je ne serais pas clair : Il y a un peu plus d'un siècle, on voyait la force électrique et la force magnétique comme différente, alors que maintenant nous avons la théorie nécessaire pour pouvoir parler seulement de la force électromagnétique. On a donc unifié les deux forces dans une seule théorie et celle-ci est valable pour tous les niveaux d'énergie. Pourquoi ne serait-ce pas aussi le cas pour les autres unifications des forces ?

Merci pour vos explications
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[Coincoin]

Salut,
En (très) gros, tu peux considérer l'exemple des interactions électromagnétique et faible. L'interaction électromagnétique est véhiculée par le photon, de masse nulle, tandis que l'interaction faible est véhiculée par les bosons W et Z, qui sont lourds.
À haute énergie, tu as suffisamment d'énergie pour que la différence de masse entre le photon et les bosons W et Z soit négligeable. Tu ne te rends pas compte que la force électromagnétique et la force faible sont légèrement différentes.
À basse énergie, la différence de masse te paraît énorme. La force électromagnétique et la force faible sont nettement différentes.

C'est ce qu'on appelle une brisure de symétrie.

[Gwyddon]

Hello,

Pour faire court : les forces ne sont pas unifiées à toutes les échelles d'énergie puisque tout simplement on voit à notre échelle une différence nette entre force électromagnétique et force nucléaire par exemple

En termes plus techniques, l'unification des forces est liée à un concept central de la physique des particules (et au delà, ça intervient en matière condensée, en relativité, en mécanique quantique, etc...) : la notion de symétrie.

On décrit les interactions par des groupes de symétrie appelés groupes de jauge, donc une interaction = une symétrie.

Or il se trouve que des symétries peuvent être "brisées", et c'est ainsi notamment que l'on s'explique à l'heure actuelle le fait que l'unification des forces ne se fait pas à toute échelle : il existe des champs qui brisent des symétries sous-jacente, et "désunifient" les interactions.

Si tu souhaites en savoir plus (j'avoue, là il est tard et je n'ai pas le temps de détailler, mais j'essaierai un autre jour si tu le désires), fais des recherches avec les concepts suivants : "groupe de jauge", "brisure spontanée", "interaction électrofaible", "GUT".

Bonne soirée,

G.

EDIT : Coin est passé par là

Ce que tu dis est partiellement juste, partiellement faux (en ce sens que l'interaction électrofaible n'est pas complètement unifiée, en tout cas pas au sens des GUTs )

[obi76]

A ce propos je me pose une question (nouveau post ou pas nouveau post, telle est la question) :
la gravitation peut être considérée comme une contraction locale de l'espace et du temps (enfin espace temps puisque c'est lié ), peut-on considérer l'influence électrostatique ou magnétique comme une sorte de "torsion" locale de l'espace-temps ? (comme une serpillière que l'on essore) ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sylvestre]

Merci à vous deux pour ces réponses rapides et très éclairantes.
Je vais googler les termes que tu m'as donnés Gwyddon.
Si je comprends bien, on peut donc dire qu'à haute énergie le groupe de symétrie de la physique est plus grand qu'à basse énergie car celle-ci se brise.
Ce plus grand groupe de symétrie serait-il du au fait que certaines différences (comme la différence de masse entre le photon et les bosons W et Z) deviennent négligeables ou alors est-ce que vraiment ces différences deviennent nulles à hautes énergie ? Dans le premier cas, cela serait une approximation à mon avis.
Bon, je vais aller dormir et demain je me renseignerai un peu plus là-dessus.

Merci encore

[BioBen]

On dispose d'une théorie de l'EM et de l'interaction faible (je ne connais pas ton niveau, alors je te renvoie pour l'instant au dossier de futura-sciences).

Le modele standard (SU(3)xSU(2)xU(1)) décrit l'interaction electrofaible (EM+faible), ainsi que l'interaction forte. Mais il n'y a pas d'unification. C'est un cadre global (ie les termes sont rajoutés à la main pour prendre en compte l'interaction forte).
Pour une théorie unifiée de ces 3 forces on a pensé utiliser SU(5) (groupe de rang 4 comme le modele standard, bon nombre de degres de libertés,....).
Quand tu commences à développer SU(5), au début tout semble bien se passer. Tu obtiens deux parties qui se séparent : l'une est exactement l'interaction forte, l'autre l'interaction electrofaible. Le probleme c'est que tu as des termes en plus qui représentent un "couplage" entre ces deux interactions, qui implique notamment que des baryons peuvent devenir des leptons et inversement. De ceci découle une prédiction : le proton n'est pas une particule stable (t~10^35ans) ce qui n'est pas observé experimentalement, donc gros bug....
Il y a d'autres problemes plus techniques a expliquer (angle de weinberg, Higgs triplet-doulet splitting,...) mais grosso modo ca a refroidi les recherches de ce coté là (mais ca n'est pas abandonné car on peut résoudre certains de ces problemes). En ce moment la tendance est plutot vers les théories supersymmétriques

Ce qui me turlupine, c'est que j'entends souvent que ces forces se réunissent lorsque l'on "atteint certains niveaux d'énergie".

Effectivement, quand on regarde comment evolue la "force" (encore une fois je ne sais pas trop à quel niveau parler - constante de couplage-) de chaque interaction avec l'energie tu vois que les interaction EM, faible et forte ont la meme intensité pour mu=10^15GeV environ, d'où l'idée d'une unification des ces forces à ce niveau d'energie.

Pourquoi ne serait-ce pas aussi le cas pour les autres unifications des forces ?

Electricité et mangétisme sont deux facettes d'une meme force.
EM et interaction faible sont à l'origine une meme force mais une brisure de symétrie a fait que ces deux forces sont devenues distinctes (différentes constantes de couplages).
De meme avec l'interaction forte.

Edit : grillé par beaucoup de monde.

Pourquoi ne serait-ce pas aussi le cas pour les autres unifications des forces ?

Meuh non, il est pas si tard que ca

[BioBen]

la gravitation peut être considérée comme une contraction locale de l'espace et du temps (enfin espace temps puisque c'est lié ), peut-on considérer l'influence électrostatique ou magnétique comme une sorte de "torsion" locale de l'espace-temps ? (comme une serpillière que l'on essore) ?

Ce genre d'idée existe effectivement.
Renseigne toi sur les théorie d'einstein-cartan.
En RG on considere toujours une torsion nulle. Tu vois que si tu rajoutes un terme de torsion (si tu passes par le tetrade tu n'as techniquement pas besoin de le faire) tu vois que tu peux obtenir un autre terme d'energie implusion que tu peux relier à différents trucs (champs spinoriels,...).

[obi76]

j'ai des bonnes idées par moment ^^

Merci Bioben

[Rincevent]

Ce genre d'idée existe effectivement.
Renseigne toi sur les théorie d'einstein-cartan.

euh, c'est différent : l'idée n'est pas d'interpréter géométriquement l'électromagnétisme. Ça, c'est plutôt ce qui est fait dans les théories du genre Kaluza-Klein. Le problème, c'est que même si la géométrisation de la gravitation est facile grâce au principe d'équivalence (en termes simples toutes les masses chutent de la même façon), le fait que toutes les charges électriques ne bougent pas de la même façon implique qu'il est bien plus complexe d'avoir une interprétation géométrique de l'interaction électromagnétique.

[obi76]

là c'est pas mon domaine mais les charges ne sont pas quantifiées ? En quel cas la force ne dépend que de la charge et est quantifiée aussi non ?

[BioBen]

euh, c'est différent

Effectivement j'ai parlé trop vite (je me suis arrété à torsion en RG).
Effectivement pour l'electromag, c'est plutot KaluzaKlein en 5 dimensions (mais ca j'ai jamais étudié donc j'en dirais pas plus).

[Rincevent]

là c'est pas mon domaine mais les charges ne sont pas quantifiées ?

oui et alors ? grossièrement l'idée est la suivante : si tu prends l'équation du mouvement newtonienne d'une particule de masse m et de charge q, tu obtiens que son accélération vaut où les variables ont leurs sens usuels. Tu vois que si tu n'as pas de champ électrique E, alors, toutes les particules ont la même accélération a=g qui ne dépend pas de leur masse. C'est ce qui fait qu'il est possible d'interpréter géométriquement l'action de la gravitation [les masses suivent les géodésiques]. Si q n'est pas nulle, le fait qu'elle soit quantifiée n'impliquera pas que toutes les particules auront la même accélération : il y aura des rapports q/m très différents... un positron et un proton ont la même charge, mais pas du tout la même masse...

[obi76]

Ha c'est trouver une seule transformation géométrique qui donnerai les 2 qui est pas possible, d'accord.

Merci