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Briser les règles de l'espace-temps ? La possibilité et le défi de la violation de la symétrie CPT !
Les symétries de charge (C), de parité (P) et d'inversion du temps (T) jouent un rôle clé dans les lois fondamentales de la physique. La combinaison de ces quanta forme la symétrie CPT, qui est considérée comme la seule symétrie précise observée dans la nature à un niveau fondamental. Selon le théorème CPT, toutes les théories quantiques locales des champs invariantes de Lorentz doivent posséder cette symétrie. En d’autres termes, s’il existe un univers d’antimatière, un miroir et un univers inversé dans le temps, les lois de la physique devraient être exactement les mêmes que les nôtres. Une telle affirmation donne à réfléchir : selon le concept de multivers, existe-t-il un univers d’antimatière que nous ne pouvons pas réellement observer ?
Histoire
Le théorème CPT est apparu pour la première fois en 1951, lorsque Julian Schwinger a tenté de prouver le lien entre le spin et les statistiques. En 1954, Gerd Lüders et Wolfgang Pauli ont donné une preuve plus explicite, et le théorème est parfois appelé théorème de Lüders-Pauli. Plus tard, John Stewart Bell a également prouvé ce théorème de manière indépendante.
Ces preuves sont basées sur les principes d'invariance de Lorentz et de localité dans les interactions de champ quantiques.
Avec les recherches menées à la fin des années 1950, les chercheurs ont découvert que la violation de la symétrie P dans les interactions faibles apparaissait progressivement. Dans le même temps, des violations fiables de la symétrie C se produisent également. Bien que l'on ait autrefois pensé que la symétrie CP était préservée, des recherches menées dans les années 1960 ont révélé que cette croyance était erronée et que la symétrie T était également violée en raison de l'invariance CPT.
Dérivation du théorème CPT
Le processus de dérivation du théorème CPT implique la compréhension du levage de Lorentz, qui peut être considéré comme une opération de rotation de l'axe du temps vers l'axe Z. Si le paramètre de rotation est un nombre réel, une rotation de 180 degrés inversera le temps et les directions Z. De tels changements sont le reflet de l’espace pour n’importe quelle dimension de l’espace.
En utilisant la théorie de Feynman-Stuckelberg, nous pouvons considérer les antiparticules comme leurs homologues fonctionnant en temps inverse.
Cette interprétation nécessite une légère continuation analytique et n'est bien définie que si les hypothèses suivantes sont vérifiées : la théorie est invariante de Lorentz, le vide est invariant de Lorentz et l'énergie est limitée vers le bas. Lorsque ces conditions sont réunies, la théorie quantique peut être étendue à la théorie euclidienne. En raison de la relation de commutation entre l'opérateur hamiltonien et le générateur de Lorentz, l'invariance de Lorentz est garantie d'être équivalente à l'invariance rotationnelle, de sorte que tout état peut être tourné de 180 degrés. Ce fait peut être utilisé pour prouver le théorème des statistiques de spin.
Conséquences et implications
La signification de la symétrie CPT est que le « miroir » de notre univers sera exactement le même en termes de lois physiques, c'est-à-dire que les informations de position de tous les objets seront organisées par réflexion à tout moment, toute l'impulsion sera inversée et toute la matière sera remplacée par de l'antimatière.
La transformation CPT transforme notre univers en son « image miroir » et vice versa.
Par conséquent, la symétrie CPT est considérée comme une caractéristique fondamentale des lois de la physique. Afin de préserver cette symétrie, la rupture de la symétrie de deux composantes quelconques (comme CP) doit correspondre à la rupture d'une troisième composante (comme T). Et mathématiquement, ce sont les mêmes. La violation de la symétrie T est souvent appelée violation CP. Il convient de mentionner que le théorème CPT peut être généralisé pour considérer les groupes de clous sous certaines conditions. En 2002, Oscar Greenberg a montré que sous des hypothèses raisonnables, la violation du CPT implique une violation de la symétrie de Lorentz.
Les phénomènes liés à la violation du CPT sont prédits par certains modèles de théorie des supercordes et certains modèles de théories quantiques des champs au-delà des particules ponctuelles. Certains scientifiques pensent que les dimensions compactes telles que la taille de l'univers peuvent également conduire à des violations de la CPT, tandis que les théories non unitaires, telles que les trous noirs, qui violent l'unitarité, peuvent également violer la CPT. Il convient de noter que les champs à spin infini peuvent violer la symétrie CPT. Jusqu’à présent, la plupart des expériences sur la violation de Lorentz n’ont pas donné de résultats positifs, et en 2011, Kosteltsky et Russell ont mené une analyse statistique détaillée de ce résultat.
Avec une exploration plus approfondie de la symétrie CPT et de sa violation, nous pourrions être en mesure de révéler des mystères plus profonds de l'univers. Mais dans ce processus, comment la science va-t-elle remettre en question les idées et les positions traditionnelles ?
