Problème de hiérarchie

En physique théorique, un problème de la hiérarchie apparaît quand les paramètres fondamentaux (couplages ou masses) de quelques Lagrangiens sont fortement différents (généralement plus grands) des paramètres mesurés par expérience. Cela peut arriver parce que les paramètres mesurés sont relatifs aux paramètres fondamentaux à cause d'une renormalisation. Typiquement, les paramètres renormalisés sont fortement relatifs aux paramètres fondamentaux, mais dans certains cas, il apparaît qu'il y a eu une annulation délicate entre la quantité fondamentale et les corrections quantiques. Les problèmes de hiérarchie sont reliés aux problèmes d'ajustement fin.

Étudier la renormalisation dans les problèmes de hiérarchie est difficile car de telles corrections quantiques sont divergentes, ce qui signifie que la physique à très courte distance est plus importante. Comme nous ne connaissons pas les détails précis de la théorie de la physique à très courte distance (théorie de gravité quantique), nous ne pouvons même pas aborder le fait de savoir comment la délicate annulation entre deux grands termes arrive. Par conséquent, des chercheurs ont postulé un nouveau phénomène physique qui résout les problèmes de hiérarchie sans ajustement fin.

La masse de Higgs

En physique des particules, le problème de la hiérarchie réside dans le fait de savoir pourquoi la force faible est 10³² fois plus intense que la force gravitationnelle. Ces deux forces impliquent des constantes de nature, la constante de Fermi pour la force faible et la constante de Newton pour la force gravitationnelle. En outre, si le modèle standard est utilisé pour calculer les corrections quantiques de la constante de Fermi, il apparaît que la-dite constante est anormalement grande et devrait être plus proche de la constante de Newton; à moins qu'il n'y ait une annulation délicate de la constante de Fermi et des corrections quantiques.

Diagramme de Feynman représentant l'annulation de la renormalisation de la masse quadratique du boson de Higgs entre la boucle du quark top fermionique et le scalaire du squark dans une extension supersymmétrique du modèle standard.

Plus techniquement, la question est de savoir pourquoi le boson de Higgs est beaucoup plus léger que la masse de Planck, quoique l'on s'attendrait à ce que les grandes contributions quantiques fassent que le carré de la masse du boson de Higgs devienne énorme, comparable à l'échelle à laquelle une nouvelle physique apparaît, à moins qu'il n'y ait eu une incroyable annulation par ajustement fin entre les corrections quadratiques radiatives et la masse simple.

Étant donné la problème de hiérarchie avec la masse du boson de Higgs, il est attendu que la nouvelle physique fasse une apparition au niveau des échelles d'énergie qui ne sont pas plus élevées que celle requises pour produire le boson de Higgs, et de cette manière, donner une explication pour sa petite masse.

La théorie la plus populaire, mais pas la seule proposée, pour résoudre ce problème de hiérarchie est la supersymétrie. Elle explique comment une toute petite masse de Higgs peut être protégée par des corrections quantiques. La supersymétrie écarte les divergences des corrections radiatives de la masse de Higgs. Cependant, il est à ce jour impossible de comprendre pourquoi la masse de Higgs est si petite, ce qui est connu comme étant le problème du μ.

Une autre théorie populaire est le principe anthropique.

La constante cosmologique

En cosmologie, les observations présentes favorisent un univers en expansion accélérée, ce qui implique l'existence d'un constante cosmologique minuscule, mais non-nulle. C'est un problème de hiérarchie très similaire à celui du problème de la masse du boson de Higgs, dès lors que la constante cosmologique est aussi très sensible aux corrections quantiques. Il s'est cependant compliqué, à cause de la participation nécessaire de la relativité générale au problème et peut être un indice quant à ne pas considérer la gravité sur de longues distances (aujourd'hui comme la taille de l'univers). Tandis que la quintessence a été proposée comme explication de l'accélération de l'expansion de l'univers, elle ne résout pas le problème de hiérarchie de la constante cosmologique dans le sens de résoudre les grandes corrections quantiques.

Voir aussi

• Ajustement fin
• Boson de Higgs
• Principe anthropique
• Supersymétrie

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