Le prix Nobel Tsung-Dao Lee est mort sans savoir si l'Univers parallèle impliqué par sa théorie existe

Le physicienphysicien des particules élémentaire sino-américain Tsung-Dao Lee, qui devint en 1957 le deuxième plus jeune scientifique à recevoir un prix Nobel à 31 ans, est décédé dimanche à son domicile de San Francisco à l'âge de 97 ans.

Lee, naturalisé américain depuis 1962, avait été également professeur à l'université ColumbiaColumbia de New York depuis 1953 pendant longtemps. Auparavant, il avait passé plusieurs années avec son collègue et co-lauréat du prix Nobel de physique Chen-Ning Yang à Princeton (le Yang des théories de Yang-Mills des particules élémentaires derrière le modèle standard de la physique des particules dont on peut lire une exposition dans les cours donnés par Lee et rassemblés dans l'ouvrage suivant : Particle Physics and Introduction to Field Theory)).

Il avait alors suffisamment fait impression à Robert Oppenheimer pour qu'il le considère comme un des physiciens théoriciens les plus brillants de l'époque et qu'il le recrute en 1951 à Princeton.

Un élève des prix Nobel de physique Fermi et Chandrasekhar

Entre 1946 et 1950, il avait en effet étudié et passer sa thèse à l'université de Chicago, rien de moins que sous la direction d'Enrico FermiEnrico Fermi, lauréat du prix Nobel de physique à l'origine de la théorie de la désintégration radioactive bêtabêta sous l'effet de la force nucléaire faibleforce nucléaire faible et architectearchitecte de la première pile atomique. La théorie de Fermi reprenait en la poussant un cran plus loin la théorie des neutrinosneutrinos d'un autre prix Nobel, Wolfgang PauliWolfgang Pauli.

La thèse de Lee (dont le contenu se reflète dans l'article Hydrogen Content and Energy-Productive Mechanism of White Dwarfs) portait sur la physique des naines blanches et c'est tout naturellement qu'il s'est retrouvé aussi à interagir à ce moment-là avec un autre futur prix Nobel pionnier de l'astrophysiqueastrophysique de ces étoilesétoiles, le mythique Subrahmanyan ChandrasekharSubrahmanyan Chandrasekhar.

Lee était né à Shanghai le 24 novembre 1926, troisième d'une famille de six enfants, d'un père commerçant, Tsing-Kong Lee, et d'une mère, Ming-Chang Chang, une catholique fervente.

Il a fait ses études secondaires à Shanghai et quelques années plus tard, il avait reçu une bourse du gouvernement chinois pour suivre des études supérieures aux États-Unis.

TD Lee et CN Yang sont connus pour avoir proposé qu'il existait une violation de ce que les physiciens appellent la parité au niveau des réactions entre particules faisant intervenir la force nucléaire faible. Cette théorie aidera à mettre les physiciens sur la piste du désormais célèbre modèle de Glashow-Salam-Weinberg avec le bosonboson de Brout-Englert-Higgs et on peut en tirer une théorie fascinante concernant l'existence d'un UniversUnivers miroirmiroir parallèle au nôtre.

Pour comprendre de quoi il s'agit, il va nous falloir remonter dans le passé pour faire connaissance avec Lev Okun et surtout, la découverte pendant les années 1950 de la violation de la parité, la symétrie P, encore appelée symétrie miroir.

Lev Okun est un physicien russe dont les travaux sur la physique des particules élémentaires sont bien connus. On lui doit le terme de hadron désignant toutes les particules faites de quarks et de gluons comme les nucléons, les mésons et les hypérons. © Cern

Un univers parallèle de particules de matière miroir ?

L'hypothèse d'une non-conservation de la parité dans le monde des particules élémentaires avait été suggérée par Richard Feynman lors d'une conférence en 1956 à laquelle assistaient Tsung Dao Lee et Chen Ning Yang. Les deux physiciens d'origine chinoise donnèrent quelques mois plus tard une formulation précise de cette violation de la symétrie miroir, permettant de montrer qu'elle conduisait à des tests précis.

En pratique, cette violation impliquait que si l'on réalisait une copie d'un dispositif expérimental obtenu en prenant son image dans un miroir - ce qui par exemple change le sens du courant dans une bobine générant un champ magnétiquechamp magnétique -, les résultats des expériences dans ce second dispositif ne seraient pas identiques à ceux des expériences effectuées avec le premier en ce qui concerne les forces nucléaires faibles, avec la désintégration radioactive bêta en particulier.

Derrière cette violation, se trouvait une restriction du comportement des neutrinos qui, dans le langage des physiciens, revient à dire qu'ils ne peuvent exister que sous forme de neutrinos gauches et pas de neutrinos droits.

De gauche à droite, TD Lee et CN Yang à Princeton. © Shelby White and Leon Levy Archives Center

Un autre physicien russe, le légendaire Lev Landau était initialement très sceptique, trouvant absurde l'idée qu'il puisse exister une violation fondamentale d'une symétrie liée à l'espace et impliquant des restrictions sur la forme des neutrinos.

Pourtant, des expériences, comme celle réalisée par la physicienne Chien-Shiung Wu, montrèrent que des violations de la symétrie P étaient bien réelles.

Cela conduisit Okun et d'autres chercheurs à postuler pendant les années 1960 qu'il existait peut-être un univers de matièrematière en miroir du nôtre, et le côtoyant. Pour maintenir la conservation de la parité, dont la symétrie miroir, il fallait imaginer des copies des forces et des particules de matières connues à l'époque, donc les forces électromagnétiques et les forces nucléaires, mais ne pouvant interagir avec le nôtre que par l'effet de la gravitationgravitation. Il devait donc exister des atomesatomes, des moléculesmolécules et des photonsphotons noirs, invisibles en pratique.

De gauche à droite, Rocky Kolb et Michael Turner, deux célèbres astrophysiciens travaillant aux frontières de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires. Leur monographie The Early Universe est un ouvrage de référence. © Fermilab

Des particules de matière noire dans un univers miroir ?

Cette hypothèse de l'existence d'un monde miroir exigée par les symétries des particules élémentaires a resurgi sous des formes renouvelées pendant les années 1980 et 1990 avec l'essor des théories supersymétriques, en particulier celles des supercordes, et bien sûr avec aussi les confirmations de la validité des prédictions du modèle standard basées sur les fameuses symétries de jauge et les groupes de Lie. C'est aussi à ce moment que les progrès de la cosmologiecosmologie et de l'astrophysique ont donné beaucoup plus de poids à l'hypothèse de la présence de la matière noire dans l'Univers.

La théorie quantique du champ électromagnétiquechamp électromagnétique et des forces nucléaires faibles fait intervenir un groupe de symétrie nommé U(1) pour le photon et un autre nommé SU(2). Comme celle des forces nucléaires fortes fait intervenir le groupe SU(3), on dit souvent que les symétries fondamentales des interactions du modèle standard sont un groupe SU(3)*SU(2)*U(1) qui est le produit des groupes précédents. L'une des théories des supercordesthéories des supercordes les plus prometteuses contient, elle, le produit de deux groupes de Lie identiques, en l'occurrence E8*E8. Comme E8 contient comme sous-groupes SU(3)*SU(2)*U(1), des théoriciens de la cosmologie comme Kolb et Turner ont pensé en 1986 que cette copie du modèle standard pouvait correspondre à l'univers miroir d'Okun et surtout expliquer la présence de la matière noirematière noire. Notre Univers étant décrit par l'autre facteur de groupe E8.