Des chercheurs ont récemment mis au jour une anomalie dans ce que les physiciens appellent la dualité électromagnétique, cette sorte de symétrie qui lie les charges électriques et les charges magnétiques. Une anomalie qui pourrait aider à sauver la théorie des cordes.

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[EN VIDÉO] La théorie des cordes, la musique de l'univers ? En décrivant les particules élémentaires comme des cordes vibrantes, la théorie des cordes explique leurs propriétés de manière élégante et pourrait même réunir la relativité générale et la mécanique quantique. Cette piste est suivie depuis plusieurs décennies mais elles est hérissée d'obstacles. Rugueuse sur le plan mathématique, elle est également difficile à vérifier.

Alors qu'ils étudiaient la théorie des cordes, des chercheurs de l'Institut Kavli et de l'université de Tohoku (Japon) ont identifié une anomalieanomalie dans la dualité électromagnétique prédite par la théorie de Maxwell. Une anomalie qui pourrait avoir des implications dans d'autres champs de la physiquephysique.

Rappelons que les équations de Maxwell -- un chercheur écossais du XIXe siècle -- constituent la base de l'électromagnétismeélectromagnétisme. Elles régissent le comportement des champs électriqueschamps électriques et celui des champs magnétiqueschamps magnétiques. Mais aussi celui des particules qui portent une charge électrique élémentaire : les électronsélectrons et les protonsprotons. Et, sur le papier, celui des particules qui porteraient -- car jamais de telles particules n'ont encore pu être observées -- une charge magnétique élémentaire : les monopôles magnétiquesmonopôles magnétiques.

Sur le papier, car les monopôles magnétiques ont, jusqu'à aujourd'hui, échappé à l'observation des physiciensphysiciens. Pourtant, la théorie prévoit bien leur existence. Ils se manifestent même par ce que les chercheurs appellent la quantificationquantification des charges électriques -- une idée introduite par Paul DiracPaul Dirac, chercheur britannique, dans les années 1930 -- qui veut que, dans un espace-tempsespace-temps à quatre dimensions, les charges électriques soient toujours des multiples entiers d'une charge élémentaire.

Les monopôles magnétiques valident le concept de dualité électromagnétique

Supposer l'existence de tels monopôles revient à valider le concept de dualité électromagnétique. Une sorte de symétrie qui permettrait d'interchanger champs électriques et magnétiques tout comme charges électriques et monopôles magnétiques.

Ce schéma illustre l’action de la dualité électromagnétique sur les charges électriques (E) et les pôles magnétiques (B). © Hsieh et al.
Ce schéma illustre l’action de la dualité électromagnétique sur les charges électriques (E) et les pôles magnétiques (B). © Hsieh et al.

Au secours de la théorie des cordes

Revenons à la théorie des supercordesthéorie des supercordes étudiée par les physiciens japonais. Elle suppose un universunivers à dix dimensions dans lequel existe un analogue à la quantification de Dirac. Mais certains objets de cette théorie -- que les physiciens appellent les orientifolds -- violent cette quantification. Et les chercheurs japonais avaient déjà suggéré que le phénomène pourrait être expliqué par un effet subtil impliquant des propriétés quantiques de la dualité électromagnétique.

« Nous avons constaté que cette dualité est légèrement violée d'un point de vue quantique, expliquent les physiciens. Une violation qui est précisément annulée par la violation de la quantification de Dirac observée dans la théorie des cordesthéorie des cordes. » De quoi donc, peut-être, aider à sauver la théorie des cordes de cette incohérence.

Les chercheurs japonais ont analysé cette anomalie découverte dans la dualité électromagnétique à l'aide de deux méthodes. Et notamment dans le contexte de la théorie Mthéorie M censée unifier toutes les théories des cordes. Un contexte dans lequel la dualité électromagnétique devient manifeste. Et qui permet également d'analyser comment la dualité électromagnétique est légèrement violée par ce que les physiciens appellent une anomalie gravitationnelle.