Comment la physique explore les questions sans réponse du monde


Sinéad Ryan du Trinity College Dublin discute de ses travaux en physique théorique, de ce que l’avenir nous réserve et de la valeur d’une adhésion au CERN pour l’Irlande.

Les 18 derniers mois ont sans surprise mis en lumière la recherche et l’innovation derrière la pharma, la santé et les vaccinations.

Avec la pandémie de Covid-19 qui balaie le monde, le monde a tout observé, des premières réponses encourageantes dans les premiers essais cliniques à la science derrière la technologie de l’ARNm et le défi des chaînes d’approvisionnement du froid.

Mais tandis que les sociétés pharmaceutiques et les chercheurs en biotechnologie continuent de travailler dur dans ces domaines, d’autres secteurs de la science profitent de leurs propres percées.

La physique des particules consiste à essayer de comprendre la nature et la structure de la matière dans l’univers et comment les blocs de construction les plus simples réagissent et interagissent avec les quatre forces fondamentales connues.

Plus tôt cette année, la physique a connu son « moment d’atterrissage du rover sur Mars » lorsque de nouvelles preuves ont suggéré l’existence d’une cinquième force de la nature.

Les résultats proviennent de physiciens du Fermilab, le laboratoire national du ministère américain de l’Énergie.

Sinéad Ryan, aujourd’hui professeur de physique théorique des hautes énergies au Trinity College de Dublin, a travaillé comme chercheur postdoctoral au Fermilab en 1999.

« Ce fut un moment fantastique de rejoindre le laboratoire qui à l’époque était le collisionneur de particules à la plus haute énergie au monde et donc un centre de recherche et de collaboration et une visite incontournable pour tous les physiciens des hautes énergies. »

« Dans un avenir proche, nous assisterons à un changement radical dans la puissance de calcul, car ce que l’on appelle l’informatique exascale deviendra une réalité »
– SINÉAD RYAN

Lorsque Ryan a rejoint le groupe théorique du laboratoire Fermi, elle a commencé à travailler sur des calculs cruciaux pour contraindre les paramètres du modèle standard – la théorie qui explique comment les éléments de base de la matière interagissent, régis par quatre forces fondamentales.

« Ces calculs ont été effectués à l’aide de simulations numériques à grande échelle, un domaine de recherche appelé QCD sur réseau, et ont abouti à certains des résultats les plus précis disponibles à l’époque et au développement de nouvelles méthodes qui sont toujours utilisées aujourd’hui, bien que les mêmes calculs sont maintenant beaucoup plus précis.

Ryan a déclaré qu’en physique, il y avait tellement de questions ouvertes, certaines liées à la physique connue comme les forces fondamentales connues et d’autres liées à la physique au-delà du modèle standard comme la matière noire.

« La théorie et l’expérience se complètent alors que nous essayons de répondre à ces questions et à d’autres. Parfois, les prédictions théoriques motivent les recherches expérimentales – le boson de Higgs est un bel exemple et à d’autres moments, c’est une découverte expérimentale inattendue qui motive les théoriciens à expliquer pleinement ce qui se passe. elle a dit.

Irlande et CERN

Ryan a déclaré que l’interaction entre la théorie et l’expérience est cruciale pour faire progresser la physique et a déclaré que le CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est une partie vitale de ces progrès pour la communauté scientifique.

« Le CERN à Genève est le premier laboratoire de physique des particules au monde et fournir cette science signifie qu’il s’agit essentiellement du plus grand projet d’ingénierie et d’informatique de la planète », a-t-elle déclaré.

« L’Irlande est l’un des très rares pays d’Europe, l’Albanie et la Moldavie sont les autres, à n’avoir aucune association avec le CERN. En conséquence, la recherche, l’éducation et l’industrie irlandaises ont un accès limité aux énormes avantages que les membres accordent. »

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En novembre 2019, le Comité Oireachtas sur les affaires, l’entreprise et l’innovation a recommandé des plans immédiats pour l’adhésion au CERN, une décision soutenue par le groupe d’utilisateurs Irlande-CERN.

L’avenir de la physique

Bien qu’elle travaille dans le domaine de la théorie quantique des champs depuis son doctorat, Ryan a déclaré que la nature de la physique des particules signifie que de nombreuses questions restent sans réponse, ce qui laisse beaucoup d’enthousiasme quant à ce que l’avenir nous réserve.

Elle s’intéresse à la découverte inattendue d’états exotiques de la matière, formés principalement de quarks charmés et bottom interagissant sous l’interaction forte dans de nouvelles configurations.

« J’essaie également de comprendre ce qui arrive à la matière à des températures de milliards (ou de milliards) de Kelvin – les conditions dans l’univers primitif, quelques fractions de seconde après le Big Bang. »

Lattice QCD, le domaine de recherche axé sur les simulations numériques sur lequel Ryan a travaillé au laboratoire Fermi en 1999, est maintenant à la pointe du calcul haute performance depuis plus de trois décennies.

Ryan travaille toujours en QCD sur réseau et son travail a été rendu possible grâce au temps de calcul attribué sur certains des supercalculateurs les plus rapides au monde.

« Nous nous préparons maintenant pour les machines exascale de prochaine génération et un récent prix Academic Flagship de l’ICHEC signifie qu’avec des collaborateurs, nous avons le soutien pour optimiser et exécuter des codes sur ces nouvelles machines », a-t-elle déclaré.

« Dans un avenir proche, nous assisterons à un changement radical dans la puissance de calcul alors que l’informatique exascale deviendra une réalité. Tout, de la compréhension et de la modélisation du changement climatique à la recherche de nouveaux matériaux, en passant par la médecine personnalisée et les questions fondamentales en astronomie et en physique des particules, sera révolutionné.

« L’Europe aura bientôt ses propres ordinateurs exascale, égalant ou dépassant ceux des États-Unis, de la Chine et du Japon. »

Idées fausses sur la physique

Comme pour de nombreuses disciplines scientifiques, Ryan a déclaré à quoi ressemble un physicien est une idée fausse commune dans laquelle des images d’hommes blancs viennent souvent à l’esprit.

« Il existe toutes sortes de formes et de tailles et nous sommes aussi différents dans nos perspectives, nos opinions et notre apparence que n’importe quel groupe. Il n’en reste pas moins que la diversité et l’équilibre entre les sexes sont loin d’être des problèmes résolus. Dans mon propre domaine – treillis QCD – la communauté a élu un comité de diversité et d’inclusivité dont je suis membre et nous travaillons pour comprendre les obstacles rencontrés par les groupes sous-représentés (ou quiconque) dans la participation à la conférence et dans le travail quotidien,  » elle a dit.

« Dans de nombreux cas, en physique et en mathématiques, le déséquilibre entre les sexes commence dans les diplômes de premier cycle et, sans surprise, ne s’améliore pas avec la progression de carrière. Bien que de nombreux obstacles structurels, mais pas tous, soient tombés, je pense que le cheminement de carrière incroyablement large et enrichissant qui s’ouvre avec un diplôme en sciences physiques et mathématiques n’est toujours pas largement apprécié.

Ryan a également parlé du rôle de la physique dans Covid-19. Au cours de la dernière année, il y a eu, à juste titre et de manière compréhensible, une énorme concentration sur la science liée à Covid et je crois fermement que ce que nous avons vu est l’énorme impact potentiel de la science pour l’amélioration de nos vies », a-t-elle déclaré.

« Ce qui n’est parfois pas si évident au cours de la dernière année, c’est le rôle de la simulation numérique, par exemple dans la compréhension de la structure du virus SARS-CoV-2 et dans la modélisation du flux d’air et la compréhension de la transmission aéroportée. »

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