La physique quantique & 

Les particules virtuelles (II)

Selon la définition des physiciens, le vide est l’état de plus basse énergie. Mais cela ne veut pas dire qu'il ne s'y produit aucune réaction. La découverte de l'influence du vide quantique fut confirmée par Stephen Hawking et d'Andreï Sakharov. Ils ont découvert une théorie selon laquelle le vide, dans son acceptation quantique, était constitué d'énergie "virtuelle" et pouvait fluctuer sur base des relations d'incertitudes de Heisenberg.

Ces lois ont d'ores et déjà trouvé des applications en cosmologie (évolution des trous noirs à long terme, théorie inflationnaire, énergie sombre, nouvelle constante cosmologique, etc).

Comme les physiciens Casimir, Compton ou Lamb l'ont constaté, les instabilités du vide sont omniprésentes, elles induisent des effets sur les particules réelles et agissent même entre particules virtuelles dans une cascade de réactions infinies. Aux yeux des mathématiciens, il reste donc à renormaliser tous ces infinis pour obtenir une théorie cohérente.

Ce que nous appelons communément une “particule” devient dans le langage quantique les “modes propres” de l'excitation des champs. Quant à la force qui agit entre les particules, c'est un phénomène provoqué par l'échange de particules virtuelles.

En fait, n’importe quelle particule peut se matérialiser si elle satisfait aux relations d’incertitudes de Heisenberg. C’est ainsi qu’en EDQ chaque électron est entouré d’un nuage de particules virtuelles, de photons, qui n’attendent qu’une occasion pour se manifester sous la forme du champ électromagnétique. Lorsque deux électrons se rapprochent par exemple, chacun peut absorber un photon virtuel et dévie de sa trajectoire ainsi que nous le constatons dans les expériences.

Le vide quantique à son tour, constitué de particules virtuelles, peut avoir des effets dans le monde qui nous entoure. L’énergie ou la charge de l'électron par exemple se modifie en permanence dans le champ du noyau, lui donnant des valeurs infinies où les solutions des équations divergent. C'est ici que la renormalisation vient nettoyer ces termes infinis sur bases expérimentales. Ces interactions entre les mondes virtuel et réel provoquent une polarisation du vide. La force électromagnétique qui relie l'électron au noyau peut induire la création d'une paire d'électron-positron qui émerge un court instant à la surface de la réalité pour aussitôt s'annihiler. Entre-temps l'électron a eu le temps d'attirer à lui le positron virtuel (et de repousser l'électron virtuel) et de modifier leur orientation spatiale : le vide est polarisé. Ce phénomène a pour effet de modifier légèrement l'orbite de l'électron autour du noyau en provoquant un décalage spectral connu sous le nom de “décalage de Lamb”.

A gauche, selon la théorie quantique, une particule physique consiste en réalité en une particule centrale "nue" entourée d'un nuage de particules dites "virtuelles" dont la durée de vie est très courte. A droite, le tunnel d'HERA (Hadron Electron Ring Anlage) installé dans le laboratoire DESY (Deutsches Electronen SYnchrotron) de Hambourg en Allemagne cherche le leptoquark depuis 1992. Document Welt de Physik.

 Les mesures du physicien Willis Lamb s'accordent parfaitement avec la théorie de l'électrodynamique quantique à condition d'inclure l'effet de la polarisation du vide. Ce phénomène et bien d'autres prouvent que les particules virtuelles ont un effet dans le monde réel. La création de la matière à partir du vide est donc possible, à condition de parler du vide quantique.

L'antimatière

Dans les années 1920, Schrödinger découvrit une formule quantique qui s'adaptait aux particules se propageant à faible vitesse, formule qui portera son nom, mais qui ne tenait pas compte de la théorie de la relativité. 

La fonction d'onde se caractérise par deux variables : sa position r au temps t. La fonction d'onde n'est valable que si l'énergie totale E de cette particule se définit par sa quantité de mouvement p (sa vitesse multipliée par sa masse), dans les limites ou le rapport v/c est très petit, selon l'approximation :

E = mc² + p²/2m

En 1930, le physicien anglais Paul Dirac proposera une équation relativiste équivalente qu'il déduira de la formule quantique de Nicholson-Bohr et de l'équation d'Einstein, E = mc². Si la vitesse de la particule est élevée, l'approximation précédente devient :

Si v = 0, on retrouve E = ± mc²

L'équation de Dirac cache donc une subtilité : si la masse de la particule est négative, l'équation est tout de même vérifiée. Cela signifie qu'une particule pourrait présenter un état d'énergie négatif ! Si nous considérons la charge électrique par exemple, si la particule ordinaire est chargée positivement, son antiparticule serait chargée négative, et inversement.

Le passage de l'état excité au niveau fondamental laisse apparaître une transition d'énergie valant 2m, un saut de + m à - m. Dirac considéra que rien n'empêchait une particule de sauter cette barrière d'énergie pour se retrouver dans un état négatif. Mais si le phénomène a une réalité pourquoi toutes les particules - et en particulier les électrons - ne tombent-elles pas vers les énergies les plus basses qui tendent vers moins l'infini ?

Pour expliquer ce phénomène, Dirac conclut que les états d'énergie négatifs étaient tous saturés de particules virtuelles. Si ces particules virtuelles recevaient une énergie 2m (en émettant des photons), elles basculeraient dans la réalité en laissant un "trou" négatif dans le monde virtuel. Ce déséquilibre serait considéré comme un surplus d'énergie positive. Dirac crut d'abord qu'il s'agissait du proton, seule particule positive connue à l'époque, mais elle devait avoir la même masse que l'électron. Cette charge positive nouvellement crée sera appelée positron ou antiélectron. Ainsi naquit l'antimatière[1] à la plus grande joie des auteurs de science-fiction.

Bien que très déroutante, sa théorie sera confirmée au Caltech en décembre 1932 par les physiciens Carl Anderson et Patrick Blackett qui détectèrent le positron dans les rayons cosmiques. Depuis, la quasi totalité des particules ont trouvé leur opposé y compris les particules neutres[2].

Les interactions entre particules

Regardons un instant le ciel d'une nuit sans Lune. Incrustées dans le velours noir de la nuit, les étoiles scintillent d'un vif éclat. De temps en temps un météore évanescent signe son passage en lettres de feu. Au loin, à l'horizon, on distingue un énorme nuage d'orage. Ses éclairs déchirent la nuit mais on ne les entend pas. Machinalement je regarde l'heure. Le cadran lumineux de ma montre indique 10h10.

Sans nous en rendre compte, les quatre interactions de la Nature sont présentes autour de nous. L'éclat des étoiles ou des éclairs représente des photons, l'interaction électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière. En rentrant dans l'atmosphère terrestre, le météore nous signale qu'il est sous l'emprise de l'interaction gravitationnelle. La masse de la Terre l'a capturé alors qu'il voyageait à quelque 20 km/s. Le cumulo-nimbus persistera tant que le potentiel électrique sera chargé et il pleuvra tant que le poids des gouttelettes d'eau et de glace sera supérieur à la force des courants ascendants. C'est l'interaction forte mêlée à l'interaction électromagnétique qui assurent la cohésion des molécules d'eau. Enfin, l'effet photolumineux de ma montre est entretenu par la très faible radioactivité du phosphore (pour l’exemple). Cette propriété est provoquée par l'interaction faible qui désintègre la matière et touche l’électron.

Le modèle standard

Les bosons

Chaque interaction dispose d'un boson, d'un vecteur, tout comme le son est véhiculé par l'air. Par définition, un boson est une particule dont le spin (moment angulaire) vaut zéro ou représente un multiple entier de la constante de Planck. En d'autres termes, un boson est une particule dont le spin est décrit par un champ. 

Pour assurer la cohésion d'un couple de particules, la mécanique quantique stipule que les interactions entre particules s'établissent par l'échange de bosons virtuels. Comme le coureur de relais donne le témoin à son équipier, celui-ci le conserve et voit son état de mouvement modifié. Il en est de même entre les particules. Le boson établissant un lien entre les particules et les propriétés géométriques de l'espace, cet agent est dénommé un vecteur "métrique".

Les bosons comprennent les particules composites comme les mésons, le boson de Higgs (qui reste à découvrir), les photons, les gluons, les bosons W et Z ainsi que les gravitons (en théorie de la gravité quantique).

Si la charge se conserve lors de toute interaction (loi de conservation), l'agent de l'interaction faible, le boson intermédiaire, doit pouvoir échanger des charges positives ou négatives. Il en est de même pour l'interaction forte entre quarks qui échangerait 8 gluons sans masse et de spin égal à 1, le chiffre 8 faisant référence à la “Voie Octuple” de Gell-Mann. Le mot “gluon” fut choisi parce que l'intensité de leur force est tellement élevée qu’elle fait penser à de la colle (“glue” en anglais).

& La suite de cette passionnante aventure est décrite dans mon livre :

Pour plus d'information

Particules et champs (IAP)

Photothèque (IN2P3, CNRS et CERN)

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