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Ancien lauréat
Bourse commémorative E.W.R. Steacie de 2006

Andrzej Czarnecki

Physique subatomique

University of Alberta


Andrzej Czarnecki
Andrzej Czarnecki

La myriade de particules subatomiques qui a été rassemblée par les physiciens au cours du siècle dernier comprend les entités les plus petites et les plus légères que l’on connaisse dans l’univers. Toutefois, pour donner un sens à leur comportement, il faut faire appel à l’artillerie lourde, c’est-à-dire à des techniques de calcul qui se situent à la frontière des mathématiques contemporaines.

Vous n’avez qu’à demander à Andrzej Czarnecki, physicien à la University of Alberta qui explore cette frontière depuis maintenant une décennie. Il a élaboré de nouvelles méthodes qui permettent d’effectuer les calculs très difficiles associés à l’électrodynamique quantique et à la chromodynamique quantique, disciplines qui demandent une interprétation formelle des mouvements et des émissions de lumière observés dans les accélérateurs de particules du monde entier.

« Je considère qu’une bonne partie de mon travail consiste à rendre service aux gens qui aiment les expériences comportant d’importants défis », commente M. Czarnecki, en parlant des collisions complexes qui créent, détruisent ou manipulent les diverses entités de cette myriade de particules. Il est peut-être trop facile de considérer ces activités comme étant semblables à de minuscules boules de billard qui se frappent les unes contre les autres, mais la réalité est beaucoup plus éblouissante. L’énergie est échangée de façons vraiment exceptionnelles, créant souvent des formes de matière qui défient toute explication.

La tâche de M. Czarnecki et de ses collègues consiste à fournir cette explication. Plus précisément, ces scientifiques s’attaquent à un ensemble d’équations déconcertantes appelées expansions de perturbations qui fournissent des détails numériques à l’appui des résultats de la physique quantique.

« Les méthodes force brute échouent souvent, parce qu’elles comportent une accumulation d’erreurs », mentionne-t-il, en soulignant que le simple fait de traiter des chiffres à l’aide d’ordinateurs de plus en plus puissants ne donne pas nécessairement une bonne réponse. Au lieu de cela, M. Czarnecki a créé le Centre for Symbolic Computation, une batterie d’ordinateurs sur lesquels fonctionne une gamme d’outils logiciels novateurs, c’est-à-dire des algorithmes qui effectuent des calculs basés sur des symboles plutôt que sur des entrées numériques.

« Nous ne broyons pas de chiffres », explique-t-il, en faisant remarquer que cette approche élimine la nécessité de tronquer les calculs à un moment donné, méthode pratique qui peut néanmoins accentuer les limites d’une expérience. « Nous manipulons des formules, c’est-à-dire que nous faisons des manipulations algébriques. Cela ne signifie pas que nos calculs sont absolument exacts, mais, au moins, ils ne souffrent pas d’erreurs de troncature. Nous pouvons utiliser diverses méthodes d’approximation qui font appel au calcul symbolique, ce qui nous donne une meilleure compréhension de la physique de certains phénomènes. »

À titre de bousier Steacie du CRSNG de 2006 (six Bourses commémoratives E.W.R. Steacie ont été accordées cette année), M. Czarnecki compte mettre l’accent sur l’un des exemples les plus intriguants parmi ces phénomènes, la singularité des niveaux d’énergie des électrons dans l’atome d’hydrogène. Appelée déplacement de Lamb, cette singularité a trait à la différence entre les niveaux auxquels on s’attendrait en vertu de la mécanique quantique et le comportement spectrographique que l’on observe en réalité au laboratoire.

Observé pour la première fois dans les années 1940, cet effet ouvre une fenêtre sur les interactions complexes des électrons. La recherche d’une meilleure compréhension de ce comportement suscite la collaboration entre les théoriciens des hautes énergies et de l’atome, lesquels tentent de clarifier les importantes distinctions entre ce genre de comportement chez les particules libres et chez celles qui sont « liées » à un atome.

« Pendant longtemps, un léger mystère a entouré ces états liés, conclut-il. Les méthodes provenant de la physique des hautes énergies que nous avons appliquées à ces problèmes ont aidé à les démystifier. Maintenant, nous sommes prêts à porter la théorie des transitions atomiques à un nouveau degré de précision et à faire des prévisions pour la nouvelle vague d’expériences de spectroscopie. »