La symétrie miroir, ou symétrie de parité, est la propriété d'un système physique de rester inchangé lorsque les coordonnées spatiales sont inversées — comme si l'on regardait dans un miroir. En physique des particules, cela signifie que les lois régissant un processus devraient être identiques à celles régissant son image miroir. Pendant des décennies, les physiciens ont supposé que cette symétrie était fondamentale, mais des expériences dans les années 1950 ont montré que la force nucléaire faible la viole, ce qui signifie que certains processus se produisent préférentiellement dans une « chiralité » plutôt que dans l'autre.
Histoire
Le concept a été formalisé en mécanique quantique dans les années 1920-1930, avec une approche rigoureuse due à Eugene Wigner. La violation de la parité dans les interactions faibles a été proposée par Chen-Ning Yang et Tsung-Dao Lee en 1956 et confirmée expérimentalement par Chien-Shiung Wu en 1957.
Comment ça marche
En termes mathématiques, la transformation de parité change le signe de toutes les coordonnées spatiales (x, y, z) → (−x, −y, −z). Un système possède la symétrie miroir si son hamiltonien (opérateur d'énergie) commute avec l'opérateur de parité. Lorsque cette symétrie est exacte, chaque état physique a un homologue miroir avec une énergie et un comportement identiques. En pratique, tester la parité consiste à comparer les taux de processus avec leurs images miroir, souvent en utilisant des particules polarisées ou des molécules chirales.
En pratique
La violation de la parité est exploitée dans la détection des neutrinos et dans l'étude de la structure chirale des interactions fondamentales, ainsi que dans des techniques d'imagerie médicale comme les examens TEP qui reposent sur des processus d'interaction faible.
Anecdote
L'univers lui-même pourrait avoir un léger biais gaucher, comme en témoigne le fait que tous les neutrinos observés sont gauchers et les antineutrinos droitiers.
Une membrane tendue, enfermée dans un étui étroit, décide elle-même où se rompre. Il en va de même pour la cellule : lorsqu'elle est à l'étroit, le point de rupture se déplace du centre et les deux moitiés deviennent inégales. On pensait auparavant que cette asymétrie était prédéterminée par des marqueurs chimiques, mais de nouveaux travaux montrent que la mécanique seule suffit.
Un miroir ordinaire échange la gauche et la droite. Beaucoup de lois de la physique ignorent cette substitution : elles sont symétriques par réflexion. Mais certains phénomènes, comme l'interaction faible, brisent cette symétrie.
Un trou noir en rotation n'est pas un paisible tourbillon. L'espace autour de lui tremble et résonne au moindre remous, comme une corde de guitare après un pincement. Ces oscillations sont décrites par l'équation de Teukolsky, une construction mathématique complexe que les physiciens étudient depuis un demi-siècle.
Une vieille maison. La façade est fraîchement peinte, l'escalier ne grince pas. Jolie image. Mais dès qu'on y apporte des meubles lourds, les lames du plancher cèdent. La beauté de la façade ne dit rien de la solidité des planchers.
Il en va à peu près de même pour les trous noirs sans singularité.
Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.
L'Univers primordial n'est pas simplement un bouillon chaud de particules. Dans les premières fractions de seconde, la symétrie miroir aurait pu être brisée : le monde et son reflet ne seraient plus tout à fait identiques.
La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.
Posez deux réveils identiques sur une table et déclenchez-les en même temps. Si l'un d'eux se trouve sur une surface glissante et commence à déraper lentement, son mécanisme se dérègle — et au bout d'une minute, ils sonneront en décalé. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle méthode proposée par des astrophysiciens pour les trous noirs supermassifs.
La lumière se comporte d'habitude comme un piéton sur une rue à double sens : le trajet de la lampe à la caméra est le même que dans l'autre sens. Mais pour un trou noir en rotation avec une symétrie spatiale brisée, cette rue devient à sens unique.
Le cristal de séléniure de bismuth (Bi₂Se₃) est en soi symétrique, comme un sandwich soigneusement assemblé : retournez-le, et rien ne change. Mais il suffit de faire légèrement pivoter une couche par rapport à l'autre pour que la symétrie se brise. Le matériau se met alors à « sentir » d'où vient la lumière et répond par un courant électrique.
Dans le monde quantique, certaines règles semblent violées. L'une d'elles est la loi de conservation : si en physique classique la symétrie garantit la conservation de la charge, lors du passage à la description quantique, cette garantie peut disparaître. Ce phénomène est appelé anomalie quantique.
L'univers n'est pas né seul — avec lui est apparu un jumeau miroir où tout est inversé : la droite et la gauche sont échangées, et le temps s'écoule du futur vers le passé.
La lumière d'une simple ampoule se disperse généralement dans toutes les directions, et la capter en quantités exactement égales dans plusieurs canaux relève du casse-tête. Dans ces nouveaux travaux, la lumière est divisée en neuf faisceaux identiques sans une seule lentille ni miroir.
Deux faisceaux lumineux — rouge et bleu — entrent dans un minuscule anneau de nitrure de silicium. L'anneau est plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain. À l'entrée, les deux faisceaux sont également brillants.
Dans un accélérateur, deux particules de Higgs entrent en collision. Pendant un instant fugace, leurs destins s'entrelacent, puis se séparent, emportant l'information de la rencontre.
Deux récipients d'eau à des températures différentes sont séparés par une fine cloison. Tant que la cloison est intacte, chaque récipient vit sa vie : dans l'un, l'eau est chaude, dans l'autre, elle est glacée. Mais dès qu'on retire la cloison, les températures commencent à s'égaliser, et finalement les deux récipients atteignent le même état.
