Supergravité
La supersymétrie permet l'introduction des interactions gravitationnelles dans la théorie quantique des champs. En composant de manière appropriée deux transformations de supersymétrie dans le superespace, on engendre une translation dans l'espace-temps quadridimensionnel. Si l'on rend ces transformations locales dans le superespace, en d'autres termes si l'on jauge la supersymétrie, on obtient des translations locales mais également des rotations locales dans l'espace-temps. Comme la théorie de la gravitation d'Einstein est une théorie de jauge du groupe des translation et des rotation de l'espace-temps, une théorie avec supersymétrie locale inclut automatiquement la gravitation. Ces théories avec supersymétrie locale sont appelées théories de supergravitation et sont le fruit d'un travail laborieux et difficile réalisé par plusieurs physiciens. En 1976, Sergio Ferrara, Daniel Freedman et Peter van Nieuwenhuizen construisent la première théorie de supergravité. Ces théories de supergravité peuvent par la suite être étendues au Modèle Standard Supersymétrique et y engendrer le mécanisme de brisure de la supersymétrie.
Sergio Ferrara (né en 1945), physicien italien, professeur aux universités de Rome et Los Angeles (UCLA), membre permanent de la Division Théorique du CERN. En 1974, il construit en collaboration avec Bruno Zumino les théories Yang-Mills supersymétriques. Deux ans plus tard, en collaboration avec Daniel Freedman et Peter van Nieuwenhuizen, il construit la première théorie de supergravité.
Daniel Freedman (né en 1939), physicien américain, professeur à l'université de New-York à Stony Brook et au MIT. En collaboration avec Sergio Ferrara et Peter van Niewenhuizen, il construit la première théorie de supergravité.
Peter van Nieuwenhuizen (né en 1938), physicien hollandais, professeur à l'université de New-York à Stony Brook. En collaboration avec Sergio Ferrara et Daniel Freedman, il construit la première théorie de supergravité.
En 1978, Eugène Cremmer, Bernard Julia et Joël Scherk construisent la théorie de supergravité dans un espace-temps à 11 dimensions, qui aurait pu être candidate pour décrire de manière quantique la gravitation et unifier les interactions fondamentales forte, électrofaible et gravitationnelle.
Eugène Cremmer (né en 1942), physicien français, directeur de recherche à l'Ecole Normale Supérieure. Il construit la théorie de supergravité en 11 dimensions et propose le mécanisme de compactification spontanée dans les théories de champs.
Bernard Julia (né en 1952), physicien français, directeur de recherche à l'Ecole Normale Supérieure. En collaboration avec Eugène Cremmer, il construit la théorie de supergravité en 11 dimensions.
Toutes les particules connues interagissent alors par échange de quanta appelé gravitons, qui sont les bosons de jauge de spin 2. La supersymétrie implique que le graviton ait un superpartenaire de spin 3/2, appelé gravitino.
Exemple de diagramme de Feynman d'interaction gravitationnelle : des photons interagissent par échange de gravitons. Plus généralement, toutes les particules dotées de masse ou d'énergie interagissent par échange de gravitons.
La gravitation n'est pas incluse dans les Théories de Grande Unification pour la simple raison que son intensité mesurée aux échelles ordinaires d'énergie est si faible qu'on peut la négliger complètement. Mais la constante de couplage de l'interaction gravitationnelle, comme d'autres constantes de couplage, varie en fonction de l'énergie et vers l'échelle d'énergie de 1019 GeV, appelée échelle de Planck, elle devient aussi importante que celle des autres interactions.
Une classe spéciale de théories de supergravité, dite « sans échelle », pourrait expliquer la grande différence entre l'échelle de Planck et celle du Modèle Standard et donc résoudre le problème de la hiérarchie d'échelle.
La supergravité aurait donc pu être une candidate sérieuse pour une théorie unifiée des particules élémentaires et de leurs interactions fondamentales. Malheureusement, elle présente un défaut irrémédiable : elle n'est pas renormalisable. Un remède pour guérir une théorie du problème des quantités infinies qui résultent du calcul des diagrammes de Feynman en boucle se trouve dans ses symétries : plus on augmente les symétries, plus on a de chances d'améliorer le comportement de ces diagrammes en boucle et de réduire ces infinis. Avec les théories de supergravité, les physiciens semblent avoir atteint le maximum de symétrie possible dans une théorie quantique des champs.
Le rêve des physiciens semble donc s'être effondré : la gravitation d'Einstein et la mécanique quantique semblent devoir demeurer incompatibles. Un grand espoir renaît au milieu des années 1980 quand une autre candidate se fraye un chemin dans la jungle des théories physiques : la théorie des cordes.