​Dans la théorie quantique des champs, les carquois magnétiques sont des représentations graphiques de l'Univers, précisément de son contenu formé de champs de particules et de forces. Ces outils très simplifiés ont permis à une collaboration internationale de préciser le rôle du mécanisme de Higgs en classifiant les transitions de phase qu'il induit entre ces différents contenus de l'Univers. L'étude des chercheurs propose ainsi une nouvelle vision du Higgs, connu pour conférer leur masse aux particules, dans une quête autour de l'évolution de l'Univers et du modèle standard ; modèle qui en est à ce jour la théorie la plus aboutie à l'échelle quantique.

Outil utilisé depuis une trentaine d'années, un carquois est constitué de flèches qui représentent les différents champs quantiques, et de nœuds qui symbolisent les interactions (forces électromagnétique, faible ou forte) entre les champs. Par exemple :

• Le carquois des tous débuts de l'Univers est composé de deux nœuds (forces forte et électro-faible) et de trois flèches dont l'une forme une petite boucle.
• Le carquois de l'Univers actuel, tel que décrit par le modèle standard, compte toujours trois flèches mais trois nœuds représentant les forces forte, faible et électromagnétique.

 

« On constate qu'une transition de phase s'est opérée, se manifestant par la « scission » de la force électro-faible en deux forces : faible et électromagnétique. Elle est induite par le champ de Higgs qui brise la symétrie qui existait entre les forces faible et électromagnétique. Cette transition de phase s'explique notamment par le fait que le boson de Higgs se condense sous l'effet du refroidissement de l'Univers au cours de son évolution », explique Antoine Bourget, chercheur à l'IPhT.

Un algorithme de « fission et désintégration »

Or, il persiste des verrous dans la théorie quantique des champs que les théoriciens cherchent à lever. La supersymétrie est une hypothèse simplificatrice qui permet de contourner les difficultés et de se focaliser sur l'objet d'étude, à savoir le mécanisme de Higgs. De ce point de vue, les physiciens ont démontré qu'il n'existe que deux grands types de transition de phase : la fission et la désintégration du carquois magnétique.

« L'une des règles est notamment relative aux nombres affectés aux nœuds du carquois. Ce nombre renseigne sur les différents types de particules vectrices des forces. Par exemple, l'interaction forte porte le nombre 3 et selon la très simple formule « nombre au carré - 1 » : 3²-1 = 8, ce qui correspond bien à ses 8 gluons », poursuit le chercheur. La nouvelle classification de transitions de phase induites par le champ de Higgs propose alors :

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• La fission d'un carquois en deux petits carquois, leurs nombres sont plus petits et leur somme est équivalente au nombre du carquois initial.
• La désintégration du carquois en un petit carquois dont le nombre est inférieur.

Les théoriciens ont pu réduire leur étude à un calcul algorithmique. Basé sur de simples principes algébriques, cet algorithme de " fission et désintégration " fonctionne de manière autonome et permet de prédire de nouveaux types de transitions de phase, au-delà même de celles qui ont lieu dans le modèle standard de la physique des particules …​​