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La physique quantique
Les bosons (V) Depuis la fin des années 1920, les théoriciens ont tenté de réunir la relativité générale et la mécanique quantique dans le but d’unifier les particules et les forces de la nature.
Au XVIIe
siècle déjà, Newton se doutait bien que le déplacement
d'un objet ne produisait pas instantanément une modification de la force
gravitationnelle, mais il ne put le démontrer. Maxwell, Lorentz puis Einstein se
rendirent compte à leur tour que ni le champ électromagnétique ni
aucune autre interaction ne se propageaient instantanément. On découvrit
alors que si la matière conservait certaines propriétés, fonction des
nombres quantiques et de la conservation de l'énergie, elle obéissait
aveuglément à une valeur discrète : la constante de Planck, Par le biais de ce quantum d'action, les mathématiciens avaient un moyen de formaliser ce principe d'unification. Ils démontrèrent que les interactions entre particules s'établissaient par le biais d'autres particules élémentaires. La force de la gravitation et celle l'électromagnétisme pouvaient se propager à l'infini : les particules échangées n'avaient pas de masse. Le photon épousa parfaitement cette déduction et il est probable qu'il en sera de même pour le graviton (bien que la théorie n'exclut pas qu'il ait une masse si élevée qu'elle soit actuellement inaccessible aux accélérateurs de particules). Cette théorie peut également s'appliquer aux interactions fortes qui agissent entre tous les hadrons, considérés comme des particules très influentes. Ceci est d'autant plus vrai que les interactions faibles agissent à plus courtes distances encore. On appela cette famille de particules intermédiaires, les "bosons". Pour des raisons de symétrie, chaque interaction dispose ainsi d'un boson vecteur, tout comme le son est véhiculé par l'air. Etant donné que ces particules élémentaires portent une interaction, on les appelle des bosons de jauge dont les interactions sont décrites par les théories de jauge. On y reviendra en détail à propos des symétries de jauge (par exemple le mécanisme de Higgs) en cosmologie. 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 établit un lien entre les particules et les propriétés géométriques de l'espace, raison pour laquelle l'agent qui véhicule cette interaction est dénommé un vecteur "métrique". Ainsi que nous l'avons expliqué, les bosons comprennent les particules composites comme les mésons et des corps plus étranges et élémentaires comme les photons, les gluons, le boson de Higgs, les bosons W et Z ainsi que les hypothétiques gravitons (en théorie de la gravité quantique). Le photon Nous dépendons des photons plus que nous ne le pensons. Nos yeux détectent les photons, ce qui nous permet de voir le monde qui nous entoure. En technologie, les photons sont essentiels pour les panneaux solaires qui convertissent la lumière en électricité et les câbles à fibre optique qui assurent les communications à haut débit et nous relient à Internet. Les photons jouent également un rôle important dans la recherche scientifique. Ils sont au cœur de l'électrodynamique quantique (EDQ), la théorie qui décrit l'interaction entre la lumière et la matière. Dans ce contexte, les photons sont les médiateurs du champ électromagnétique (cf. le concept de champ). Ils facilitent les interactions entre les particules chargées comme les électrons et les protons, régissant un large éventail de phénomènes physiques.
Que sait-on exactement du photon, cet objet bien singulier qui se comporte parfois comme une onde parfois comme une particule ? Selon la théorie quantique des champs, le photon est un boson de spin 1 (on reviendra sur le concept de spin dans l'histoire de la physique quantique) décrit par les équations de Maxwell. Le photon obéit donc à des règles différentes des particules de matière (les fermions) comme le fait que les photons peuvent se superposer et interférer (alors que les fermions s'entrechoquent et ne s'interpénètrent pas).
En fonction de sa longueur d'onde, le photon peut transporter plus ou moins d'énergie (sous forme de photons lumineux, UV, micro-onde, X, gamma). Chacun sait que le photon se déplace à la vitesse de la lumière dans le vide, qu'il n'existe pas de photon au repos et donc il serait sans masse de repos. Cela nous paraît évident, mais il fallut des décennies pour parvenir à ces conclusions et encore ajourd'hui il reste des questions en suspens concernant la nature et les propriétés du photon. En 2017, Julian Heeck de l'Institut Max Planck de Physique Nucléaire (MPI-HD) publia un article sur le sujet dans les "Physical Review Letters" (en PDF sur arXiv) dans lequel il se demande si le photon est stable ? Pour le savoir, il faut déterminer la masse maximale du photon et combien de temps il peut vivre avant de se désintégrer. Pour savoir quelle est la durée de vie du photon, les physiciens ont la possibilité d'étudier les photons de faible énergie émis par le rayonnement cosmologique à 2.7 K, un rayonnement micro-onde (~160 GHz) presque aussi vieux que l'Univers. Dans le cas le moins favorable (où il présenterait une légère masse de repos), le photon serait stable durant au moins 1018 ans (soit 1 milliard de fois l'âge de l'Univers !). Mais étant donné qu'il se déplace à la vitesse de la lumière dans le vide, dans son référentiel relativiste, cela ne représente que ... 3 ans (un facteur γ = 1015) ! On y reviendra en cosmologie à propos du "Big Freeze". Notons qu'en 2018, une équipe de chercheurs dirigée par Lihong V.Wang du Caltech est parvenue à photographier les photons émis par une impulsion laser femtosecondes, c'est-à-dire d'une fréquence de quelques billionièmes de seconde (ou millièmes de milliardième de seconde), comme on le voit sur la séquence présentée à gauche qui constitue une première mondiale. Cette prouesse technique n'a été permise qu'en utilisant une technique de photographie ultrarapide compressée (CUP ou Compressed Ultrafast Photography) améliorée et combinée à un logiciel d'imagerie capable de réaliser ce qu'on appelle une transformation de Radon (la même projection qu'on utilise pour les images des scanners à rayons X) pour obtenir une image en haute résolution à très grande vitesse. Selon Liang, coauteur de cet article, "c’est en soit un exploit, mais nous voyons déjà des possibilités pour augmenter la vitesse jusqu’à un billiard (1015) d’images par seconde !". On peut espérer qu'à ces fréquences, les interactions entre la lumière et la matière dévoileront des secrets de ce fameux boson. Rappelons qu'il est possible d'arrêter la course d'un ion (cf. U.Oxford, 2021) et même d'arrêter des photons en des endroits dits exceptionnels , là où deux faisceaux lumineux fusionnent (cf. T.Goldzak et al., 2018). A
voir : Comment filmer la vitesse de la lumière ?,
The Slow Mo Guys Si nous savons reconnaître la lumière quand on voit un faisceau lumineux et si certains d'entre nous ont déjà vu un rayon laser de lumière cohérente, paradoxalement, jusqu'à présent personne n'avait vu un photon. Et sa visualisation théorique sous forme d'une petite sphère floue, d'une onde ou d'un pic d'intensité lumineuse décroissante est très loin de la réalité quantique. A quoi ressemble un photon ? Désormais, la réponse sera dans la prochaine édition des livres de physique traitant de l'optique et plus largement de l'optique quantique et l'électrodynamique quantique (EDQ). Dans un article publié dans les "Physical Review Letters" en 2024, Ben Yuen et Angela Demetriadou de l'Ecole de Physique et d'Astronomie de l'Université de Birmingham ont révélé la forme précise d'un photon unique, marquant ainsi une avancée majeure dans la compréhension de la lumière et de ses interactions. Benjamin Yuen, auteur principal de cette étude, nous explique la méthode que son équipa utilisa : "Nous avons cherché à répondre à une question fondamentale : comment les photons sont-ils réellement émis par les atomes et les molécules, et quel effet leur environnement a-t-il sur cela ? C'est quelque chose que les physiciens ne peuvent modéliser avec précision que dans un vide parfait contenant un seul atome/molécule, sans rien d'autre autour. Cependant, on sait depuis longtemps que l'environnement peut avoir un impact profond sur ce processus, mais aucune théorie n'a été en mesure de saisir pleinement tous ses détails." Pour y parvenir, les chercheurs ont commencé par développer une version de la théorie quantique des champs (cf. le concept de champ) qui incluait une nanoparticule de silicium interagissant avec des photons. Le problème est que la nanoparticule a une infinité de possibilités d'interagir avec un spectre continu de lumière. Heureusement, l'équipe trouva un moyen de réduire ce nombre. Selon Yuen, "Nous avons utilisé une branche des mathématiques appelée l'analyse complexe pour transformer le problème d'un ensemble continu basé sur les nombres réels en un ensemble discret basé sur des nombres complexes distincts. Bien que cela puisse paraître "complexe", cela simplifia considérablement le problème, nous permettant de le représenter exactement comme une interaction avec seulement quelques centaines de modes lumineux "complexes"." "La visualisation correspond exactement à la distribution d'un photon peu de temps après son émission. Comme il s'agit d'une particule quantique, vous ne pouvez pas la mesurer en une seule fois, car la mesure la détruit. Cependant, si vous répétiez la mesure à l'endroit où un photon a été détecté plusieurs fois, vous verriez exactement cette distribution."
Yuen ajoute : "De plus, et l'une des choses les plus étranges à propos de la mécanique quantique, c'est qu'avant même que le photon ne soit détecté, toutes les informations détaillées de cette distribution d'intensité existent déjà grâce à ce que nous appelons sa "fonction d'onde", qui est exactement ce que nous avons pu calculer pour la première fois. [...] Nos calculs nous ont permis de convertir un problème apparemment insoluble en quelque chose qui peut être calculé. Et, presque comme sous-produit du modèle, nous avons pu produire cette image d'un photon, quelque chose qui n'avait jamais été vu auparavant en physique." Selon Angela Demetriadou, professeure de physique et coautrice de cette étude, "La géométrie et les propriétés optiques de l'environnement ont des conséquences profondes sur la façon dont les photons sont émis, notamment en définissant la forme, la couleur et même la probabilité qu'ils existent." Selon Yuen, "Ces travaux nous aident à mieux comprendre l'échange d'énergie entre la lumière et la matière, et deuxièmement à mieux comprendre comment la lumière rayonne dans son environnement proche et lointain. Une grande partie de ces informations étaient auparavant considérées comme du "bruit", mais elles contiennent tellement d'informations que nous pouvons désormais les comprendre et les utiliser. En comprenant cela, nous posons les bases qui nous permettront de concevoir des interactions lumière-matière pour des applications futures, telles que de meilleurs capteurs, des cellules photovoltaïques améliorées ou l'informatique quantique." Enfin, si on peut créer à peu près toutes les particules y compris des gravitons d'ici à quelques décennies (sauf les quarks et les gluons), il est tout à fait illusoire de faire apparaître des photons si ce n'est par annihilation de paires lors de collisions entre particules. On y reviendra à propos de l'antimatière. Pour ne pas alourdir cet article, nous verrons à propos des découvertes récentes en physique des particules qu'en 2019 des chercheurs ont découvert une nouvelle propriété de la lumière : l'auto-couple. Un faisceau de lumière peut se propager le long de son axe en formant... un vortex ou un tire-bouchon ! Les bosons intermédiaires À la fin des années 1960, les physiciens soupçonnaient l'existence d'une relation étroite entre la force électromagnétique et l'interaction faible, leur différence devant se situer dans la masse plus élevée de la particule qui véhiculait l'interaction faible. Il s'avérait en effet que le spin des particules du rayonnement "neutre" (les bosons W et Z découverts en 1983 au CERN) avait la même valeur que celui du photon, à savoir la constante de Planck. Les bosons sont au nombre de quinze - jusqu'à aujourd'hui, car rien ne dit qu'ils ne sont pas plus nombreux.
C'est ainsi qu'on découvrit que l'agent de l'interaction faible, le "boson intermédiaire" avait la même force que l'interaction électromagnétique à courte distance. On appela cette force l'interaction "électrofaible". Sa force paraît plus faible parce qu'elle s'applique sur une plus petite échelle. Pour des masses égales, l'interaction faible est environ 1000 fois plus faible que la force électromagnétique. La masse de ce vecteur vaut grosso modo la racine carré du rapport de ces deux forces, soit environ 30 fois la masse du proton (30 GeV). Si la charge se conserve lors de toute interaction (loi de conservation), 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. Nous avons mentionné auparavant que ces interactions permettaient de décrire la création de particules lors de collisions à hautes énergies. Ces lois conservent les énergies de la réaction. Le boson Z° peut se transformer indifféremment en quarks et leptons, les deux familles de particules élémentaires qui forment la matière, chacune apparaissant par paire avec son antiparticule (quark u et antiquark u, électron et positron, etc). Inversement, l'annihilation d'un électron avec un positron produit un boson Z° et des rayons γ. Etant donné qu'il existe au moins trois familles de particules élémentaires, le boson Z° peut subir de nombreuses transformations, réduisant d'autant sa durée de vie. Le gluon L'existence de cette particule fut prédite en 1965 par Oscar Greenberg de l'Université de Maryland, Mo-Young Han de l'Université Duke et Yoichiro Nambu de l'Université de Chicago - qui venaient d'inventer la notion de couleur des quarks en CDQ - et fut découverte en 1979 dans l'accélérateur de particules PETRA du laboratoire DESY installé en Allemagne (installation remplacée en 2017 par XFEL, voir plus bas). Le gluon est une particule élémentaire sans masse de repos (ou elle serait supérieure à 1012 GeV) et de spin 1 porteur d'une charge de couleur. Il transporte la force nucléaire forte entre quarks, d'où le nom de "gluon" car l'intensité de leur force est tellement élevée qu’elle fait penser à de la colle (“glue” en anglais). Le gluon assure la cohésion des hadrons tels que le proton et le neutron dans les nucléons. Il existe 8 variétés de gluons qui se différencient par leur charge et anti-charge de couleur. Le chiffre 8 fait aussi référence à la "Voie Octuple" de Gell-Mann à l'origine de la classification des baryons et des mésons.
Nous avons expliqué précédemment que la masse du noyau atomique (p+n) est inférieure à la somme des masses individuelles des quarks (et des gluons) qu'il contient et qu'il en est de même de son pin. Les physiciens n'ont pas encore trouvé l'explication mais estiment que les gluons sont peut-être la clé de ce mystère sachant qu'ils représentent 98% de la masse du proton. La boule de glu (glueball) À l'inverse de la plupart des autres bosons (sauf W et Z qui peuvent se coupler mais qui se désintègrent rapidement vu leur masse élevée), les différentes variétés de gluons peuvent interagir les unes avec les autres et former des états liés appelés des "boules de glu" (glueballs). C'est l'une des rares nouvelles prédictions de la CDQ qui entre dans le modèle Standard des particules et à ce titre elle vaut la peine d'être décrite.
Selon plusieurs études (Morningstar et Peardon, 1999; Crede et Meyer, 2008; Wolfgang Ochs, 2013, etc), dans le cadre du modèle standard, la CDQ prédit l'existence de la "boule de glu" qui serait une particules libre composite uniquement composée de gluons sans quarks de valence. Cet état hypothétique serait porteur d'une charge de couleur et sensible à l'interaction forte nucléaire. Comme les baryons et les mésons, cette particule porte également une saveur neutre (isospin = 0) et son nombre baryonique vaut 0 puisqu'elle ne contient pas de quarks. Sa charge électrique est également neutre puisque les gluons individuels ne portent pas de charge électrique. Enfin, dans le cas de 2 gluons liés (comme un méson), le spin vaut 0 (particule dite scalaire ou pseudoscalaire) ou 2 (cas d'un tenseur) et il vaut 3 s'il s'agit d'un triplet (boule de glu à trois gluons). Les boules de glu sont donc constituées de force pure mais elles sont instables et décroissent si rapidement qu'on ne peut pratiquement pas les détecter. En théorie, étant donné qu'il existe 8 gluons différents, que leur masse de repos est de l'ordre de ~2.6 GeV selon les travaux de Brünner et Rebhan et qu'ils peuvent s'agencer en paire ou triplet, la probabilité que les physiciens puissent les détecter est loin d'être nulle. Toutefois, ces boules de glu se mélangent aux paires de quark-antiquark comme les mésons ordinaires à saveur neutre. La difficulté est donc de déterminer quels sont parmi les mésons qu'ils observent, ceux qui sont des boules de glu et ceux qui sont des états quark-antiquark ordinaires. À défaut de pouvoir les observer directement, les physiciens Frederic Brünner et Anton Rebhan de l'Université de Vienne précités sont parvenus à calculer la réaction de décroissance d'une boule de glu et à estimer sa masse. En bref, sur base de modèles très sophistiqués de la CDQ à plus de trois dimensions (modèle de Witten-Sakai-Sugimoto et mécanisme de Witten-Veneziano qui donne leur masse aux mésons η) et en tenant compte des interactions gravitationnelles entre particules - toujours exclues du modèle Standard -, les chercheurs sont parvenus à évaluer les taux de désintégration d"une boule de glu scalaire en kaon et en méson η. Ils ont trouvé un résultat qui concordre avec les données expérimentales enregistrées au CERN et à Beijing concernant le méson scalaire fo(1710) ainsi qu'avec d'autres résultats d'expériences conduites ailleurs dans le monde. Les résutats de leurs travaux furent publiées dans les "Physical Review Letters" en 2015. Toutefois, depuis cette évaluation la boule de glu n'a toujours pas été découverte. En 2017, Brünner et Rebhan ont publié un nouveau statut de l'état des recherches sur les boules de glu dans les "Physical Letters B" et conclut qu'il serait possible de les détecter au cours des expériences du LHC impliquant des mésons η et η'. Selon les chercheurs, la masse de repos de cette hypothétique particule serait d'environ 2.6 GeV pour la paire de spin 0 et de 2.4 GeV pour le triplet de spin 2. Affaire à suivre. Le graviton La gravitation qui est une force insignifiante au niveau atomique se propage probablement par le graviton, l'onde gravitationnelle, de spin égal à 2, c'est du moins le résultat qui ressort quand on combine la relativité générale et le modèle Standard des particules. Comme le photon, le graviton aurait une durée de vie infinie. Dans certains modèles à plus de trois dimensions spatiales, il serait possible d'observer des excitations de gravitons grâce aux détecteurs du LHC. Ces évènements apparaîtraient comme des résonances lors des collisions entre particules dans ce qu'on appelle les histogrammes de masse invariante (cf. ces tableaux de l'expérience ATLAS). Selon les prédictions, le graviton se couplant non pas avec la masse (cf. Newton) mais avec l'énergie-impulsion (cf. Einstein), il se désintégrerait en paires de leptons, de quarks et de bosons, y compris en particules sans masse comme des paires de photons et des paires de gluons. L'analyse des ondes gravitationnelles détectées au cours de l'évènement GW170817 indique que la durée de vie du graviton, s'il existe comme le prédit la théorie, est d'au moins 450 millions d'années. Autrement dit durant cette période et ne subit aucune désintégration contrairement à ce que prétendent certaines théories alternatives, renforçant le modèle Standard. Dans certaines réactions de désintégration impliquant des leptons et des photons, il serait même possible que les états finaux du graviton permettent de détecter les bosons de jauge Z et H (Higgs) à partir de leur niveau d'énergie et la valeur de leur spin. Quant à créer des gravitons, ce n'est pas à la portée du LHC car cette réaction exige une énergie supérieure à 106 TeV (le LHC atteint à peine 14 TeV). Le boson de Higgs, H°, fut découvert au CERN en 2012 (mais confirmé en 2013). Son existence fut théorisée en 1964 par François Englert et Robert Brout et indépendamment par Peter Higgs ainsi que Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble. Cette particule explique la brisure de l'interaction électrofaible fondamentale par le mécanisme de Higgs et explique comment les particules élémentaires ont acquis leur masse. Selon les données du CERN, le boson de Higgs présente une masse de repos de 125.35 ±0.15 GeV/c2 et se désintègre en 1.56 x 10-22 seconde. Si cela semble quasi instantanément à notre échelle, c'est environ 500 fois plus lentement que les bosons W et Z. Le sujet étant particulier fascinant mais aussi complexe si on veut bien comprendre tout ce que représente cette particule et répondre aux questions en suspens, pour ne pas surcharger cet article, on reviendra en détails sur le boson de Higgs et sur les autres concepts associés. Si le modèle Standard des particules élémentaires explique plutôt bien la réalité du monde subatomique et par extension celle du monde physique et a prédit quantité de phénomènes qui furent découverts grâce aux accélérateurs de particules, des indices suggèrent qu'il pourrait exister une réalité plus fondamentale. C'est l'objet du dernier chapitre. Dernier chapitre
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