Le physicien qui décode la nature non-binaire du monde subatomique
À l'intérieur du proton, les quarks et les gluons modifient et transforment leurs propriétés d'une manière que les physiciens peinent encore à comprendre. Rithya Kunnawalkam Elayavalli apporte au problème une perspective différente de celle de leurs pairs. De nombreuses découvertes en physique découlent de la théorie à l'expérience. Albert Einstein a théorisé que la masse courbe le tissu de l'espace-temps, puis Arthur Eddington a observé les effets de cette courbure lors d'une éclipse solaire. De même, Peter Higgs a d'abord proposé l'existence du boson de Higgs ; près de 50 ans plus tard, la particule a été découverte au Grand Collisionneur de Hadrons.
L'hadronisation est différente. C'est le processus par lequel les particules élémentaires appelées quarks et gluons s'assemblent pour former des protons et des neutrons - les composants des atomes. Aucune théorie actuelle ne peut décrire avec précision comment ou pourquoi l'hadronisation se produit.
"C'est vraiment l'opposé de la norme", déclare Rithya Kunnawalkam Elayavalli, physicien nucléaire de haute énergie à l'Université Vanderbilt à Nashville, Tennessee.
Kunnawalkam Elayavalli passe ses journées à observer l'hadronisation et à essayer de formuler une théorie qui l'explique. Ils font partie des expériences Sphenix et STAR au Collisionneur d'Ions Lourds Relativistes (RHIC) à New York, ainsi que membre de l'expérience CMS au CERN près de Genève. Leurs recherches étudient le comportement des quarks et des gluons après les collisions, pendant la fraction de milliseconde durant laquelle ces particules se déplacent librement avant de s'hadroniser à nouveau.
Ces expériences ont révélé des détails sur la structure des quarks et des gluons dans cet état intermédiaire, ainsi que sur le moment de l'hadronisation. Pourtant, Kunnawalkam Elayavalli trouve frustrant d'observer sans comprendre davantage.
Le domaine quantique défie les binaires - les gluons en particulier. Ces entités élémentaires peuvent avoir trois charges différentes dans de multiples configurations. Et elles doivent exister en ensembles qui équilibrent ces charges. Pour Kunnawalkam Elayavalli, c'est similaire à la multiplicité des genres qu'ils expérimentent en tant que personne non-binaire. Quanta Magazine s'est entretenu avec eux pour discuter des mystères de la physique nucléaire qui transcende le binaire, ainsi que de leur expérience en tant que personne transgenre - au Tennessee, qui plus est, où la législation anti-trans est parmi les plus régressives du pays - tout en faisant de la science naturelle.
L'interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.
Que comprenons-nous des quarks et des gluons ?
Au moment du Big Bang, il devait y avoir une forme de matière qui existait, cette matière primordiale faite de quarks et de gluons avant qu'ils ne se convertissent en hadrons. La meilleure compréhension des quarks et des gluons que nous ayons vient de la théorie de la chromodynamique quantique, qui a été développée dans les années 1970. Nous l'appelons "chromo" parce que nous avons introduit ce nouveau concept appelé charge de couleur. Les quarks et les gluons peuvent avoir trois charges différentes, et les physiciens ont nommé ces trois choses rouge, bleu et vert. Vous pouvez aussi avoir des antiquarks, ce qui signifie que vous avez des anti-couleurs : anti-rouge, anti-bleu et anti-vert.
- Juste pour être clair, cela n'a rien à voir avec la couleur telle que nous la connaissons ?
Il n'y a pas de véritable connexion. Nous avions besoin de quelque chose qui venait par trois et qui, une fois additionné, devient une quantité nulle. La couleur était un terme raisonnable à utiliser. Avec la lumière, quand vous combinez rouge, bleu et vert ensemble, vous obtenez de la lumière blanche, qui est neutre. Et si vous combinez une couleur et son anti-couleur, vous obtenez aussi du blanc. De même, les quarks et les gluons portent par eux-mêmes des charges de couleur, et tous les hadrons sont des combinaisons neutres en couleur de ces quarks et gluons. Tout ce que nous voyons dans le monde est neutre en couleur.
Mais pour compliquer les choses, les gluons ont plusieurs charges de couleur ; une couleur va dans ce sens, l'autre couleur va dans l'autre sens. Les quarks ont trois charges de couleur. Les gluons ont deux charges de couleur.
- Comment savons-nous que cette description est correcte ?
Notre validation de la théorie de la chromodynamique quantique vient des comparaisons avec les données réelles des collisionneurs. Nous faisons entrer en collision un électron et un positron, qui est l'antiparticule de l'électron. Nous savons que lorsque la matière rencontre sa propre antimatière, elle explose. Cette explosion d'énergie se convertit en une paire quark et antiquark. La probabilité que ce processus se produise était bien décrite par la théorie de la chromodynamique quantique.
C'est ainsi que nous savons que cette théorie peut modéliser les quarks et les gluons. Ce qu'elle ne peut pas faire, c'est décrire les quarks et les gluons lorsqu'ils se regroupent en hadrons. À ce moment-là, la théorie s'effondre dans la région que nous appelons non perturbative - physique non calculable. Tous nos calculs explosent. Ils explosent littéralement, dans le sens où les termes tendent vers l'infini. C'est là que notre compréhension théorique nous fait défaut.
- Comment vous et vos collègues utilisez-vous les collisionneurs de particules pour mieux comprendre ce processus ?
Le RHIC fait entrer en collision des noyaux d'atomes d'or. Quand vous faites cela, vous injectez tellement d'énergie dans le système, parce que vous faites entrer en collision plusieurs protons et neutrons avec plusieurs protons et neutrons. Ces gars ont tellement d'énergie que vous recréez en quelque sorte un peu du Big Bang. Nous l'appelons le Petit Bang. Et à partir du Petit Bang, vous obtenez un très court laps de temps, 10−22 secondes - yoctosecondes. Dans ce court laps de temps, un fluide appelé plasma quarks-gluons apparaît, et tous les quarks et gluons communiquent entre eux. C'est une boule de feu. Ensuite, elle évolue. Elle s'expand. Elle refroidit. À un certain point, elle atteint la température à laquelle les quarks et les gluons se convertissent en hadrons.
Donc nous commençons avec des hadrons que nous faisons entrer en collision. Puis nous passons aux quarks et aux gluons, et ensuite nous revenons aux hadrons. L'hadronisation se produit devant nous chaque fois que nous faisons fonctionner nos collisionneurs, sur n'importe quel collisionneur dans l'histoire de la physique. Le fait que nous ne puissions pas le comprendre au niveau quantitatif ou même qualitatif - c'est frustrant ! Une des principales motivations de ma recherche est de l'observer et d'essayer de comprendre ce qui se passe ici.
- Dans ma tête, j'imagine que vous prenez tous une photo avec un petit appareil photo et que vous étudiez l'explosion.
- Eh bien, en gros, oui.
Voici une analogie simple. Disons que vous travaillez dans les tests de sécurité automobile. Vous mettez un mannequin dans la voiture, vous accélérez la voiture, vous heurtez un bloc, et ensuite vous regardez ce qui arrive au corps du mannequin pour déterminer si c'est sûr et si les airbags fonctionnent.
Maintenant imaginez que vous n'avez qu'une photographie du site de test de collision plusieurs années plus tard. Et une photographie de la voiture non endommagée avant la collision. Ce décalage temporel de plusieurs années dans l'analogie reflète le décalage en yoctosecondes entre la collision et votre capacité à la capturer, n'est-ce pas ?
- Oui, cela se produit en un temps très court, et il n'y a aucun moyen de l'arrêter.
Donc vous regardez ces deux photographies, et vous dites : Je sais que la main du mannequin a commencé ici et a fini là. Quels sont les autres indices dans la photographie que je peux utiliser pour recréer le trajet de la main du mannequin ?
Je crée un algorithme de reconstruction. D'ici, la main va revenir par là, et puis je rassemble plus d'informations, et puis je remonte plus loin. Je peux estimer ce qui se passe en théorie grâce à une simulation.
Nous avons un processus itératif où nous apprenons. Nous faisons une prédiction ; les données ne sont pas d'accord. Nous mettons à jour la prédiction ; nous la comparons avec de nouvelles données. Peut-être que ça correspond.
Faire cela aux plus petits niveaux de la matière autour de nous, c'est vraiment ce dont il s'agit en physique des particules et en physique nucléaire de haute énergie.
- Qu'avez-vous découvert ?
Nous mesurons des jets, qui sont des structures en forme de cône composées d'un spray de hadrons et d'autres particules et fragments de particules qui s'échappent d'une collision. Nous reconstruisons et étudions la sous-structure de ces jets. En regardant la distribution des particules dans le jet, si je regarde les particules qui sont éloignées les unes des autres, c'est une région très calculable du jet. À mesure que l'échelle de distance se rapproche, cela entre dans la région incalculable ou non perturbative. Nous avons identifié une échelle spécifique où les quarks et les gluons ne peuvent plus être considérés comme des quarks et des gluons ; ils doivent être considérés comme des hadrons.
Dans notre quête à long terme pour identifier comment se produit l'hadronisation, nous avons découvert avec nos données et nos calculs que l'hadronisation semble se produire à cette échelle de distance fixe, appelée région de transition. Je peux convertir cette distance en temps. Donc nous arrivons enfin au point où nous savons exactement quand l'hadronisation a lieu.
- Est-ce que les propriétés des quarks et des gluons résonnent avec vous en tant que personne non-binaire ?
Oui, je pense que le simple fait que les gluons portent plusieurs charges de couleur signifie qu'ils sont fondamentalement des créatures non-binaires. Et ils sont la pierre angulaire de tout ce qui nous entoure.
C'est un aspect plus coloré de la nature. Cela nous dit qu'il y a quelque chose de plus que la simple charge binaire positive ou négative. Vous avez beaucoup plus de choix de couleurs. Vous avez beaucoup plus de saveurs dans la soupe.
- Que signifie pour vous l'observation de ces particules ?
Je suis dans un voyage de découverte de soi en même temps que mon voyage intellectuel pour comprendre les quarks et les gluons et comment ils évoluent. Tout, selon moi, a un chemin d'évolution.
J'ai commencé dans une société [dans le sud de l'Inde] qui était très binaire dans sa représentation visuelle. Il y avait des rôles de genre clairement définis. Venir aux États-Unis et y passer 15 ans m'a pris beaucoup de temps pour réaliser ce que je pourrais comprendre être moi-même. L'idée du non-binaire, de ne pas appartenir à une certaine représentation - cela a pris beaucoup de temps à réaliser.
Ma première réalisation que c'était une possibilité, que la transition pourrait arriver, c'était au CERN. Mon collègue est simplement apparu en portant une robe. Et je me suis dit : Oh, on peut faire ça !
Dans le monde de la physique, il n'y a pas beaucoup de personnes queer ou trans. La représentation compte beaucoup pour moi, et être présent.e en tant que personne trans ouvertement, représentant mon domaine, mon domaine d'étude - qui est fondamentalement non-binaire dans sa nature - est un aspect très important de mon travail quotidien. Mais c'est difficile. Notre représentant du Tennessee au Congrès vient de déposer un projet de loi qui supprime le financement fédéral de toute institution qui facilite "la dissociation d'un individu de son sexe". C'est le libellé du projet de loi.
Ils s'en prennent à l'assurance. Ils s'en prennent aux universités.
- Comment pouvez-vous penser à la physique quand vous pensez à tout cela ?
Cinquante pour cent de mon cerveau pense à cela, comment je peux survivre, et dans les 50% restants du cerveau, je peux penser à la physique.
Je suis physicien.ne, mais avant cela, je suis une personne. Si quelqu'un veut juste parler physique avec moi, vous ne pouvez pas juste avoir ma physique, vous avez aussi le fait que je suis une personne trans et vous entendez parler de l'environnement dans lequel on me demande de faire ma recherche.