Thème « théorie de jauge »

Chercheurs :

Maxim Chernodub, Stam Nicolis, Antti Niemi.

Présentation :

Repliment de protéines (Antti Niemi, Stam Nicolis, Maxim Chernodub).

Le but de ce projet de recherches est d'appliquer des notions fondamentales de la physique théorique des hautes énergies, plus précisément des techniques mises au point en théorie quantique des champs ou théorie des cordes et en physique mathématique pour décrire des problèmes en biophysique et repliment de protéines. Protein matching

En fait la conformation tri-dimensionnelle d'une protéine est essentielle pour sa fonction biologique appropriée, tandis que l'échec lors de ce processus conduit soit à une protéine inerte, soit à une qui exprime des propriétés biologiques erronnées. Par conséquent, la mise en évidence des principes qui sont à la base du mécanisme de repliment, non seulement éclaircira le grand mystère du fonctionnement des organismes vivants, mais conduira à une meilleure compréhension et même à des traitements pour des maladies comme certaines formes de cancer, pathologies neurodégénératives ainsi que d'autres maladies, dont la cause serait imputée à des protéines malrepliées.

Les méthodes mises au point en physique théorique des hautes énergies ont souvent eu des retombées en d'autres domaines de la physique. Dans ce même esprit, notre groupe est intéressé par la mise au point et l'étude de modèles qui conduisent à des structures de type corde avec comme objectif des applications en biologie et, plus particulièrement, le repliment des protéines, peut-être le problème le plus fondamental en biologie actuellement. Le but de notre groupe est la mise au point du modèle de Higgs abélien comme un cadre phénoménologique pour le repliment des protéines. Le projet a comme objectif l'étude multi-disciplinaire des relations entre modèles de théories de champs à basse dimension et le repliment des protéines.

 

Les théories de jauge sur réseau et les dimensions supplémentaires dans l'espace--temps (Stam Nicolis).

Les dimensions supplémentaires ont été introduites dans le contexte des théories de champs sur réseau pour pouvoir décrire des fermions chiraux en contournant les hypothèses du théorème de Nielsen et de Ninomiya.Ces fermions seraient localisés dans des sous-espaces de dimension paire (où la chiralité aurait un sens physique). On a trouvé que les fluctuations des champs de jauge peuvent éliminer les modes zéro chiraux en donnant lieu à une phase particulière, confinante le long les dimensions supplémentaires et Coulombienne le long les dimensions ``habituelles''. On a trouvé des fortes indications et arguments que la transition entre cette phase et la phase Coulombienne habituelle peut être du second ordre, ce qui conduirait à l'existence d'une théorie de jauge indépendante de la régularisation. La caractérisation de cette théorie est une drection de recherche et elle est menée par des simulations numériques ainsi que par des approches analytiques, type champ moyen. Ce scénario conduit en fait à un mécanisme de compactification différent de celui de Kaluza--Klein et permet l'étude des effets quantiques. Il est pertinent pour la description des ``isolants topologiques'', qui seraient des isolants dans le volume et des conducteurs en surface. La phase des couches correspondrait, ainsi, à la phase isolante et la transition vers la phase Coulombienne serait, alors, une transition métal-isolant. En fait elle fut mise en évidence il y a maintenant quinze ans et montre encore un exemple de l'intrication entre théorie de champs et matière condensée. Bien entendu les conséquences de la phase des couches pour la physique aud-delà du modèle standard est une autre direction de recherche.

Discrétisation de l'espace des phases (Stam Nicolis) Pour le traitement numérique il est utile de discrétiser l'espace de phases d'un système quantique. On calcule l'opérateur d'évolution quantique, à partir de celui classique, en déterminant la représentation métaplectique. On construit l'opérateur d'évolution le plus général, qui réalise la quantification cohérente des symplectomorphismes linéaires du plan. Ces opérateurs sont également pertinents pour la réalisation d'algorithmes quantiques, ainsi que pour la description des groupes ``quantiques'', lorsque le paramètre de déformation est une racine de l'unité.

On étudie, finalement, la généralisation à l'espace de phase à trois dimensions, introduite par Nambu et l'on construit la quantification cohérente du crochet correspondant, pour les flots linéaires sur un espace de phase tri-dimensionnel, à partir de ceux du plan. Il s'agit de la première discrétisation de la dynamique de Nambu, qui respecte toutes les propriétés du crochet de Nambu.


 

Champs magnétiques intenses (Maxim Chernodub)

Une des lignes de recherche du groupe porte sur la mise au point de modèles théoriques pour mettre en évidence le rôle particulier de champs magnétiques hyper-intenses qui sont créés lors des collisions de noyaux lourds à hautes énergies. Superconducting vortex lattice Les collisions produisent de la matière dont la densité en énergie est bien supérieure à celle d'un noyau ordinaire et au sein de laquelle les interactions sont très fortes. Il est possible qu'un nouvel état de matière particulièrement dense, à savoir un plasma quark-gluon se forme au centre des collisions. Ses propriétés physiques peuvent être étudiées par des méthodes de la théorie de champs (chromodynamique quantique non-perturbative, modèles effectifs d'interactions fortes).

Les expériences de la nouvelle génération sur le plasma quark-gluon viennent de commencer au sein du LHC au CERN. Un détecteur dédié, ALICE et les deux détecteurs généraux, ATLAS et CMS ont déjà commencé à analyser les premières données à l'énergie de 2.76 TeV par nucléon au centre de masse et contrôlent les conditions d'étude à un degré exceptionnel.

Knotted magnetic fields in quark-gluon plasma

Un aspect particulier de ces collisions est que les champs magnétiques produits sont les plus intenses à l'Univers de nos jours: les champs magnétiques pourraient atteindre une intensité d'à peu près $10^{15}$ Tesla, cinq ordres de grandeur supérieure à celle du champ magnétique à la surface d'une étoile à neutrons aimantée (une ``magnétar''). Le champ magnétique si intense peut conduire à plusieurs effets exceptionnels, soit dans le vide soit dans la matière chaude ou dense, comme la génération d'un courant électrique porté par des quarks le long la direction du champ magnétique, même en absence d'un champ électrique, une séparation claire entre la transition du déconfinement et celle de la restauration de la symétrie chirale à température finie, la formation de solitons par des champs magnétiques ``noués'' ou l'apparition d'un phase supraconductrice électromagnétique à ``basse'' température. On s'attend à ce que certains de ces effets puissent être étudiés chez ALICE.

 

Séparation spin-charge (Antti Niemi, Maxim Chernodub).

Du point de vue conventionnel le spin et la charge sont considérés faire partie des propriétés fondamentales d'une particule élémentaire. Plusieurs particules élémentaires, comme l'électron, portent un spin et une charge non-triviales, sans qu'il y ait une indication expérimentale (à haute énergie) que la présence à la fois du spin et de la charge soient une manifestation d'une structure interne non-triviale. Au contraire, toutes les exprériences à haute énergie qui ont sondé la structure interne de l'électron ont conclu sans équivoque que plus haute est l'énergie, plus l'électron se comporte comme une particule ponctuelle. Cependant, il y a quelque temps, des physiciens de la matière condensée ont été amenés à proposer que, dans certains systèmes fortement corrélés le spin et la charge d'un électron pourraient être portés par des degrés de liberté distincts. Cette ``séparation de spin de la charge" a été étudié en particulier dans le contexte du modèle de Hubbard comme un mécanisme possible pour comprendre la supraconductivité à haute température critique dans les cuprates. Cette séparation aurait une incidence importante aussi en physique des particules, si elle s'y verrait confirmée. Des cas concrets ne manquent, ne effet, pas: de l'univers primordial aux étoiles compactes et, peut-être, jusqu' à l'échelle des hadrons et de la matière hadronique.

Notre but est d'élargir l'étude du rôle et du sens de la séparation du spin et de la charge en physique des hautes énergies en employant des méthodes de la théorie quantique des champs. Cette ligne de recherche possède une composante multidisciplinaire très marquée, vu que plusieurs des idées ici exposées sont, également, pertinentes en physique de la matière condensée. En plus cette notion peut apparaître dans beaucoup de contextes physiques différents, des structures confinantes en physique hadronique à des problèmes en mécanique des fluides (traditionnels ou quantiques) ainsi que lors de la description de la photosphère solaire par un plasma magnétohydrodynamique. Enfin, une branche de cette direction de recherche aspire à devenir pertinente pour résoudre des problèmes en biologie moléculaire et en génétique.