There is something about physics that has been really bothering me since I was a little kid. And it's related to a question that scientists have been asking for almost 100 years, with no answer. How do the smallest things in nature, the particles of the quantum world, match up with the largest things in nature -- planets and stars and galaxies held together by gravity?
Il y a quelque chose à propos de la physique qui me dérange vraiment depuis que je suis petit. Et cela concerne une question que les scientifiques se posent depuis presque 100 ans, en vain. Comment les plus petites choses de la nature, les particules du monde quantique, sont-elles reliées aux plus grandes choses de la nature -- les planètes, les étoiles et les galaxies retenues par la gravité ?
As a kid, I would puzzle over questions just like this. I would fiddle around with microscopes and electromagnets, and I would read about the forces of the small and about quantum mechanics and I would marvel at how well that description matched up to our observation. Then I would look at the stars, and I would read about how well we understand gravity, and I would think surely, there must be some elegant way that these two systems match up. But there's not. And the books would say, yeah, we understand a lot about these two realms separately, but when we try to link them mathematically, everything breaks.
Enfant, c'était le genre de questions qui me perturbaient. Je m'amusais avec des microscopes et des électroaimants, je lisais sur les forces du minuscule et sur la mécanique quantique et je m'émerveillais de l'exactitude de la description par rapport à nos observations. Puis je regardais les étoiles, je lisais que nous comprenions si bien la gravité, je pensais que c'était sûrement très élégant, la façon dont ces deux systèmes étaient reliés. Mais il n'y en a pas. Et les livres disaient que nous comprenions très bien ces deux domaines séparément, mais lorsque nous essayons de les relier mathématiquement, tout s'écroule.
And for 100 years, none of our ideas as to how to solve this basically physics disaster, has ever been supported by evidence. And to little old me -- little, curious, skeptical James -- this was a supremely unsatisfying answer.
Et pendant 100 ans, aucune de nos idées censées résoudre ce désastre de la physique n'a pu être appuyée par des preuves. Et pour moi, enfant -- le petit, curieux et sceptique James -- c'était une réponse extrêmement décevante.
So, I'm still a skeptical little kid. Flash-forward now to December of 2015, when I found myself smack in the middle of the physics world being flipped on its head. It all started when we at CERN saw something intriguing in our data: a hint of a new particle, an inkling of a possibly extraordinary answer to this question.
Je suis d'ailleurs toujours un enfant sceptique. Faisons un bon en avant jusqu'en décembre 2015, quand je me suis retrouvé coincé au milieu du monde de la physique complètement retourné. Au CERN, on a remarqué une chose intrigante dans nos données : la trace d'une nouvelle particule, l'ombre d'une éventuelle réponse extraordinaire à cette question.
So I'm still a skeptical little kid, I think, but I'm also now a particle hunter. I am a physicist at CERN's Large Hadron Collider, the largest science experiment ever mounted. It's a 27-kilometer tunnel on the border of France and Switzerland buried 100 meters underground. And in this tunnel, we use superconducting magnets colder than outer space to accelerate protons to almost the speed of light and slam them into each other millions of times per second, collecting the debris of these collisions to search for new, undiscovered fundamental particles. Its design and construction took decades of work by thousands of physicists from around the globe, and in the summer of 2015, we had been working tirelessly to switch on the LHC at the highest energy that humans have ever used in a collider experiment.
Je suis encore un enfant sceptique, mais je suis aussi un chasseur de particules. Je suis physicien au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, la plus grande expérience scientifique jamais organisée. C'est un tunnel de 27 kilomètres à la frontière franco-suisse, creusé 100 mètres sous terre. Et dans ce tunnel, on utilise des aimants supraconducteurs plus froids que la température de l'espace pour accélérer des protons, presque à la vitesse de la lumière et les écraser les uns contre les autres des millions de fois par seconde, afin de recueillir les débris de ces collisions pour découvrir de nouvelles particules fondamentales. Sa création a demandé des décennies de travail à des centaines de physiciens à travers le monde et lors de l'été 2015, nous avons travaillé sans relâche afin de lancer le LHC à la plus grande énergie jamais utilisée pour ce genre d'expérience.
Now, higher energy is important because for particles, there is an equivalence between energy and particle mass, and mass is just a number put there by nature. To discover new particles, we need to reach these bigger numbers. And to do that, we have to build a bigger, higher energy collider, and the biggest, highest energy collider in the world is the Large Hadron Collider. And then, we collide protons quadrillions of times, and we collect this data very slowly, over months and months. And then new particles might show up in our data as bumps -- slight deviations from what you expect, little clusters of data points that make a smooth line not so smooth. For example, this bump, after months of data-taking in 2012, led to the discovery of the Higgs particle -- the Higgs boson -- and to a Nobel Prize for the confirmation of its existence.
Une énergie plus élevée est en fait indispensable car pour les particules, il existe un équivalent entre l'énergie et la masse des particules, et la masse n'est qu'un nombre mis là par la nature. Pour découvrir des particules, on doit atteindre ces grands nombres. Et pour ça, il faut créer un collisionneur plus grand et plus puissant, et le plus grand, plus puissant collisionneur au monde est le Grand collisionneur de hadrons. Ensuite, nous réalisons des collisions de protons des quadrillons de fois, nous rassemblons ces données très lentement, au fur et à mesure des mois. Les nouvelles particules pourraient y apparaître comme des disparités, de légers écarts par rapport à ce qu'on attendait, de petits amas de points qui rendent une ligne fluide un peu moins fluide. Par exemple, cette disparité, après des mois de collecte de données en 2012, a révélé l'existence de la particule de Higgs -- le boson de Higgs -- et a mené à un prix Nobel pour la confirmation de son existence.
This jump up in energy in 2015 represented the best chance that we as a species had ever had of discovering new particles -- new answers to these long-standing questions, because it was almost twice as much energy as we used when we discovered the Higgs boson. Many of my colleagues had been working their entire careers for this moment, and frankly, to little curious me, this was the moment I'd been waiting for my entire life. So 2015 was go time.
Ce pic dans le domaine de l'énergie en 2015 était la meilleure chance que nous avions, en tant qu'espèce, de découvrir des particules -- des réponses à ces éternelles questions, car c'était presque le double de l'énergie que nous avons utilisée pour la découverte du boson de Higgs. Beaucoup de mes collègues ont travaillé toute leur carrière pour ce moment et honnêtement, pour le jeune moi si curieux, c'était le moment que j'avais attendu toute ma vie. 2015 était un grand moment.
So June 2015, the LHC is switched back on. My colleagues and I held our breath and bit our fingernails, and then finally we saw the first proton collisions at this highest energy ever. Applause, champagne, celebration. This was a milestone for science, and we had no idea what we would find in this brand-new data. And then a few weeks later, we found a bump. It wasn't a very big bump, but it was big enough to make you raise your eyebrow. But on a scale of one to 10 for eyebrow raises, if 10 indicates that you've discovered a new particle, this eyebrow raise is about a four.
Et donc en juin 2015, le LHC a été rallumé. Nous avons retenu notre souffle et rongé nos ongles et enfin assisté à la première collision de protons à l'énergie la plus haute jamais utilisée. Applaudissements, champagne, célébration. C'était un tournant pour la science, nous n'avions aucune idée de ce qu'on trouverait dans ces nouvelles données. Quelques semaines après, on a trouvé une disparité. Ce n'était pas une grosse disparité, mais c'était assez gros pour nous faire sourciller. Sur l'échelle de 1 à 10 du haussement de sourcils, si 10 indique la découverte d'une nouvelle particule, c'était un quatre.
(Laughter)
(Rires)
I spent hours, days, weeks in secret meetings, arguing with my colleagues over this little bump, poking and prodding it with our most ruthless experimental sticks to see if it would withstand scrutiny. But even after months of working feverishly -- sleeping in our offices and not going home, candy bars for dinner, coffee by the bucketful -- physicists are machines for turning coffee into diagrams --
J'ai passé des heures, des jours, des semaines à des réunions secrètes, débattant avec mes collègues sur cette disparité, la manipulant sans pitié avec ce qui nous passait par la tête pour voir si elle supporterait d'être observée. Mais après des mois de travail acharné -- à dormir dans nos bureaux sans rentrer à la maison, des barres chocolatées en guise de dîner, du café par litres entiers -- les physiciens sont des machines qui transforment le café en diagrammes --
(Laughter)
(Rires)
This little bump would not go away. So after a few months, we presented our little bump to the world with a very clear message: this little bump is interesting but it's not definitive, so let's keep an eye on it as we take more data. So we were trying to be extremely cool about it.
Cette petite disparité ne s'en allait pas. Après quelques mois, nous avons montré cette petite disparité au monde avec un message très clair : cette petite disparité est intéressante, mais pas définitive, donc surveillons-la et récupérons plus de données. Nous avons essayé d'être très décontractés à ce sujet.
And the world ran with it anyway. The news loved it. People said it reminded them of the little bump that was shown on the way toward the Higgs boson discovery. Better than that, my theorist colleagues -- I love my theorist colleagues -- my theorist colleagues wrote 500 papers about this little bump.
Et le monde entier s'est quand même enthousiasmé. Les journaux nous adoraient. Les gens nous ont dit que ça leur rappelait la disparité qui avait mené à la découverte du boson de Higgs. Mieux que ça, mes collègues théoriciens -- j'adore mes collègues théoriciens -- mes collègues théoriciens ont écrit 500 articles sur cette petite disparité.
(Laughter)
(Rires)
The world of particle physics had been flipped on its head. But what was it about this particular bump that caused thousands of physicists to collectively lose their cool? This little bump was unique. This little bump indicated that we were seeing an unexpectedly large number of collisions whose debris consisted of only two photons, two particles of light. And that's rare.
Le monde de la physique des particules avait été complètement retourné. Mais qu'est-ce qui faisait que cette petite disparité avait réussi à enthousiasmer des centaines de physiciens ? Cette petite disparité était unique. Cette disparité indiquait que nous observions un nombre étonnamment grand de collisions dont les débris étaient composés de seulement deux photons, deux particules de lumière. Et c'est rare.
Particle collisions are not like automobile collisions. They have different rules. When two particles collide at almost the speed of light, the quantum world takes over. And in the quantum world, these two particles can briefly create a new particle that lives for a tiny fraction of a second before splitting into other particles that hit our detector. Imagine a car collision where the two cars vanish upon impact, a bicycle appears in their place --
Une collision ne ressemble pas à un accident de voiture. Elle répond à d'autres règles. Si celle-ci se fait presque à la vitesse de la lumière, c'est dans le monde quantique. Dans ce monde quantique, les deux particules peuvent brièvement créer une nouvelle particule qui vit pendant une fraction de seconde puis explose en d'autres particules repérées par notre détecteur. Imaginez un accident où les deux voitures disparaissent sous l'impact, une bicyclette apparaît à la place --
(Laughter)
(Rires)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
et puis cette bicyclette éclate en deux skateboards, qui frappent notre détecteur.
(Laughter)
(Rires)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Heureusement, pas littéralement. Ils coûtent très cher.
Events where only two photons hit out detector are very rare. And because of the special quantum properties of photons, there's a very small number of possible new particles -- these mythical bicycles -- that can give birth to only two photons. But one of these options is huge, and it has to do with that long-standing question that bothered me as a tiny little kid, about gravity.
Les moments où deux photons atteignent notre détecteur sont très rares. Et à cause des propriétés quantiques des photons, il existe un nombre très petit de nouvelles particules possibles -- ces bicyclettes mythiques -- qui peuvent donner naissance à seulement deux photons. Mais une de ces options est immense et concerne cette éternelle question qui me dérangeait quand j'étais petit, à propos de la gravité.
Gravity may seem super strong to you, but it's actually crazily weak compared to the other forces of nature. I can briefly beat gravity when I jump, but I can't pick a proton out of my hand. The strength of gravity compared to the other forces of nature? It's 10 to the minus 39. That's a decimal with 39 zeros after it.
La gravité vous semble plutôt forte, mais elle est en réalité très faible comparée à d'autres forces de la nature. Je peux brièvement vaincre la gravité en sautant, mais je ne peux pas attraper un des photons de ma main. La force de la gravité comparée aux autres forces de la nature ? C'est 10 puissance moins 39. C'est une décimale avec 39 zéros derrière.
Worse than that, all of the other known forces of nature are perfectly described by this thing we call the Standard Model, which is our current best description of nature at its smallest scales, and quite frankly, one of the most successful achievements of humankind -- except for gravity, which is absent from the Standard Model. It's crazy. It's almost as though most of gravity has gone missing. We feel a little bit of it, but where's the rest of it? No one knows.
Pire que ça, toutes les autres forces de la nature sont très bien décrites par ce que nous appelons le modèle standard, notre meilleure description actuelle de la nature à sa plus petite échelle et franchement, une des plus grandes réussites de l'humanité -- à l'exception de la gravité, qui est absente du modèle standard. C'est dingue. C'est presque comme si la majorité de la gravité avait disparu. On en ressent une petite partie, mais qu'en est-il du reste ? Personne ne le sait.
But one theoretical explanation proposes a wild solution. You and I -- even you in the back -- we live in three dimensions of space. I hope that's a non-controversial statement.
Mais une explication théorique propose une solution folle. Vous et moi -- même vous, au fond -- nous vivons dans trois dimensions de l'espace. J'espère que c'est une déclaration admise par tous.
(Laughter)
(Rires)
All of the known particles also live in three dimensions of space. In fact, a particle is just another name for an excitation in a three-dimensional field; a localized wobbling in space. More importantly, all the math that we use to describe all this stuff assumes that there are only three dimensions of space. But math is math, and we can play around with our math however we want. And people have been playing around with extra dimensions of space for a very long time, but it's always been an abstract mathematical concept. I mean, just look around you -- you at the back, look around -- there's clearly only three dimensions of space.
Toutes les particules connues existent aussi dans trois dimensions. En fait, une particule est juste un autre nom pour une excitation dans un champ tridimensionnel ; une oscillation dans l'espace. Et surtout, toutes les mathématiques que nous utilisons pour décrire tout ça présument qu'il n'y a que trois dimensions dans l'espace. Mais on peut jouer avec les maths comme on veut, car ce sont les nôtres. Et on joue avec des dimensions supplémentaires dans l'espace depuis longtemps, mais c'est toujours resté un concept mathématique abstrait. Je veux dire, regardez autour de vous -- vous aussi, au fond -- il n'y a clairement que trois dimensions dans l'espace.
But what if that's not true? What if the missing gravity is leaking into an extra-spatial dimension that's invisible to you and I? What if gravity is just as strong as the other forces if you were to view it in this extra-spatial dimension, and what you and I experience is a tiny slice of gravity make it seem very weak? If this were true, we would have to expand our Standard Model of particles to include an extra particle, a hyperdimensional particle of gravity, a special graviton that lives in extra-spatial dimensions.
Mais si ce n'était pas vrai ? Et si la gravité manquante disparaissait dans une dimension extra-spatiale qui nous était invisible ? Et si la gravité était aussi forte que les autres forces si on la regardait dans cette dimension extra-spatiale ? Et si nous ne ressentions qu'une infime partie de la gravité et que c'était pour ça qu'elle était si faible ? Si c'était vrai, on devrait élargir notre modèle standard de particules pour y inclure une nouvelle particule, une particule de gravité hyper-dimensionnelle, un graviton qui existerait dans une dimension extra-spatiale.
I see the looks on your faces. You should be asking me the question, "How in the world are we going to test this crazy, science fiction idea, stuck as we are in three dimensions?" The way we always do, by slamming together two protons --
Si vous pouviez voir vos têtes. Vous devriez me poser la question : « Comment pouvons tester cette folle idée de science-fiction, puisque nous sommes coincés dans trois dimensions ? » De la manière habituelle, en télescopant deux protons --
(Laughter)
(Rires)
Hard enough that the collision reverberates into any extra-spatial dimensions that might be there, momentarily creating this hyperdimensional graviton that then snaps back into the three dimensions of the LHC and spits off two photons, two particles of light. And this hypothetical, extra-dimensional graviton is one of the only possible, hypothetical new particles that has the special quantum properties that could give birth to our little, two-photon bump.
assez fort pour que la collision se réverbère dans une dimension extra-spatiale qui pourrait être là, créant temporairement ce graviton hyper-dimensionnel avant de revenir dans les trois dimensions du LHC et de se séparer en deux photons, deux particules de lumière. Cet hypothétique graviton extra-dimensionnel est une des seules nouvelles particules possibles et hypothétiques qui possèdent ces propriétés quantiques et qui pourraient donner naissance à notre petite disparité à deux photons.
So, the possibility of explaining the mysteries of gravity and of discovering extra dimensions of space -- perhaps now you get a sense as to why thousands of physics geeks collectively lost their cool over our little, two-photon bump. A discovery of this type would rewrite the textbooks. But remember, the message from us experimentalists that actually were doing this work at the time, was very clear: we need more data. With more data, the little bump will either turn into a nice, crisp Nobel Prize --
La possibilité d'expliquer les mystères de la gravité et de découvrir des dimensions supplémentaires -- vous comprenez mieux maintenant pourquoi des centaines de geeks physiciens ont tous perdu leur sang-froid juste pour cette disparité à deux photons. Une découverte de ce type pourrait changer les manuels scolaires. Mais souvenez-vous, notre avis, celui des expérimentateurs, qui travaillions là-dessus était clair : il faut plus de données. Avec plus de données, cette petite disparité se transformera en joli Prix Nobel --
(Laughter)
(Rires)
Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.
ou les nouvelles données se placeront autour de cette disparité et la transformeront en jolie ligne fluide.
So we took more data, and with five times the data, several months later, our little bump turned into a smooth line. The news reported on a "huge disappointment," on "faded hopes," and on particle physicists "being sad." Given the tone of the coverage, you'd think that we had decided to shut down the LHC and go home.
On a pris plus de données et avec cinq fois plus de données, quelques mois après, notre petite disparité s'est transformé en ligne fluide. Les journaux ont décrit « l'énorme déception », les « espoirs évanouis » et les « tristes » physiciens des particules. À en croire le ton des articles, on avait décidé d'éteindre le LHC et de rentrer à la maison.
(Laughter)
(Rires)
But that's not what we did. But why not? I mean, if I didn't discover a particle -- and I didn't -- if I didn't discover a particle, why am I here talking to you? Why didn't I just hang my head in shame and go home?
Mais ce n'est pas ce que nous avons fait. Et pourquoi ? Si je n'ai pas découvert de particule -- ce qui est le cas -- si je n'en ai pas découvert, pourquoi je vous parle à présent ? Pourquoi je n'ai pas juste baissé la tête, honteux, avant de rentrer chez moi ?
Particle physicists are explorers. And very much of what we do is cartography. Let me put it this way: forget about the LHC for a second. Imagine you are a space explorer arriving at a distant planet, searching for aliens. What is your first task? To immediately orbit the planet, land, take a quick look around for any big, obvious signs of life, and report back to home base. That's the stage we're at now. We took a first look at the LHC for any new, big, obvious-to-spot particles, and we can report that there are none. We saw a weird-looking alien bump on a distant mountain, but once we got closer, we saw it was a rock.
Les physiciens des particules sont des explorateurs. Et la majorité de ce que nous faisons est de la cartographie. Voyons ça comme ça : oubliez le LHC pendant une seconde. Imaginez que vous êtes un explorateur arrivant sur une planète lointaine, à la recherche d'aliens. Quelle est votre première tâche ? Tourner autour de la planète, atterrir, observer les alentours pour chercher des signes de vie évidents et retourner à la base principale. C'est l'étape où nous sommes actuellement. Nous commençons à observer le LHC pour chercher de nouvelles particules en évidence et nous pouvons dire qu'il n'y en a pas. On a vu au loin cet étrange alien sur une montagne, mais quand on s'est rapprochés, c'était un rocher.
But then what do we do? Do we just give up and fly away? Absolutely not; we would be terrible scientists if we did. No, we spend the next couple of decades exploring, mapping out the territory, sifting through the sand with a fine instrument, peeking under every stone, drilling under the surface. New particles can either show up immediately as big, obvious-to-spot bumps, or they can only reveal themselves after years of data taking.
Qu'est-ce qu'on fait ensuite ? On abandonne et s'en va ? Pas du tout. On serait des scientifiques vraiment nuls. Non, on passe les quelques prochaines décennies à explorer, à cartographier le territoire, à fouiner dans le sable avec un outil de précision, à regarder sous chaque pierre, à creuser sous la surface. Les particules peuvent autant apparaître aussitôt, comme des disparités en évidence, qu'elles peuvent apparaître après des années de collecte de données.
Humanity has just begun its exploration at the LHC at this big high energy, and we have much searching to do. But what if, even after 10 or 20 years, we still find no new particles? We build a bigger machine.
L'humanité vient juste de commencer son exploration au LHC à cette si haute énergie et nous avons des recherches à faire. Mais que se passera-t-il dans 10 ou 20 ans, si on ne trouve toujours pas de nouvelles particules ? On construira une plus grosse machine.
(Laughter)
(Rires)
We search at higher energies. We search at higher energies. Planning is already underway for a 100-kilometer tunnel that will collide particles at 10 times the energy of the LHC. We don't decide where nature places new particles. We only decide to keep exploring. But what if, even after a 100-kilometer tunnel or a 500-kilometer tunnel or a 10,000-kilometer collider floating in space between the Earth and the Moon, we still find no new particles? Then perhaps we're doing particle physics wrong.
On recherche à une plus haute énergie. On recherche à une plus haute énergie. On planifie déjà un tunnel de 100 kilomètres où l'énergie d'une collision serait dix fois grande qu'au LHC. On ne décide pas où se trouvent les nouvelles particules. On décide de continuer à explorer. Et si même avec un tunnel de 100 kilomètres ou un tunnel de 500 kilomètres ou un collisionneur de 10 000 km flottant dans l'espace entre la Terre et la Lune, on ne trouvait aucune particule ? Alors là, il faudrait revoir notre physique des particules.
(Laughter)
(Rires)
Perhaps we need to rethink things. Maybe we need more resources, technology, expertise than what we currently have. We already use artificial intelligence and machine learning techniques in parts of the LHC, but imagine designing a particle physics experiment using such sophisticated algorithms that it could teach itself to discover a hyperdimensional graviton.
Peut-être que nous devons repenser les choses. Que nous avons besoin de plus de ressources, technologies, expertises que ce que l'on a maintenant. On utilise déjà l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique dans le LHC ; imaginez une expérience de physique des particules utilisant des algorithmes si avancés qu'elle s'apprendrait à trouver des gravitons hyper-dimensionnels.
But what if? What if the ultimate question: What if even artificial intelligence can't help us answer our questions? What if these open questions, for centuries, are destined to be unanswered for the foreseeable future? What if the stuff that's bothered me since I was a little kid is destined to be unanswered in my lifetime? Then that ... will be even more fascinating.
Et si... l'ultime question : Et si même l'intelligence artificielle ne répondait pas à nos questions ? Et si ces questions posées depuis tant d'années étaient destinées à rester sans réponse dans le futur ? Et si ce qui me dérangeait quand j'étais enfant était destiné à rester sans réponse pour mon existence entière ? Alors, ça sera.... encore plus fascinant.
We will be forced to think in completely new ways. We'll have to go back to our assumptions, and determine if there was a flaw somewhere. And we'll need to encourage more people to join us in studying science since we need fresh eyes on these century-old problems. I don't have the answers, and I'm still searching for them. But someone -- maybe she's in school right now, maybe she's not even born yet -- could eventually guide us to see physics in a completely new way, and to point out that perhaps we're just asking the wrong questions. Which would not be the end of physics, but a novel beginning.
On serait obligés de penser de manières complètement différentes. On serait obligés de revoir nos suppositions pour voir si elles ne contiennent pas d'erreurs. Il faut encourager plus de monde à nous rejoindre pour étudier la science car nous avons besoin de nouveaux regards sur ces problèmes anciens. Je n'ai pas les réponses et je les cherche encore. Mais quelqu'un -- peut-être à l'école en ce moment, peut-être pas encore né -- pourrait nous faire voir la physique d'une façon vraiment nouvelle, et nous montrer qu'on pose simplement les mauvaises questions. Ce ne sera pas la fin de la physique, mais un nouveau départ.
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)