Des particules créées à la vitesse de l'éclair à partir de rien
Des champs électriques puissants peuvent arracher des particules au vide. Mais combien de temps leur faut-il pour cela ? De nouveaux calculs apportent une réponse et pourraient aider à mieux comprendre les fluctuations quantiques dans leur ensemble.
Lorsque l'on fait passer des champs électriques intenses dans un vide, des particules sont créées. Mais cela ne se produit pas immédiatement, cela prend un peu de temps. Matthias Diez et Reinhard Alkofer de l'Université de Graz ainsi que Christian Kohlfürst du Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf ont calculé à quelle vitesse les particules émergent du néant. Ils résolvent ainsi une question ouverte de la physique théorique.
Dans l'espace vide, des paires "virtuelles" d'électrons et de leurs antiparticules, les positrons, tourbillonnent en permanence. Le terme "virtuel" signifie que les deux s'annihilent généralement immédiatement avant de devenir des particules réelles. En réalité, ces particules n'existent donc que mathématiquement, à des échelles de temps et d'espace infimes, sous la forme de fluctuations quantiques. Un champ électrique puissant pourrait cependant transformer ces objets mathématiques en réalité. En effet, les électrons et les positrons sont chargés et les paires virtuelles s'alignent dans un champ comme de minuscules dipôles. Si le champ est suffisamment intense, il déchirerait littéralement cette paire avant que l'électron et le positron ne puissent se détruire à nouveau. Ce phénomène s'appelle l'effet Schwinger, du nom du futur prix Nobel Julian Schwinger, qui en a donné une description théorique en 1951.
Pour cela, le champ électrique doit être extrêmement intense. C'est pourquoi les expériences n'ont pas encore réussi à transformer des particules virtuelles en paires d'oscillations réelles. Mais des groupes de recherche du monde entier se rapprochent peu à peu des densités d'énergie nécessaires en utilisant des lasers à haute puissance. Ils veulent ainsi vérifier les prédictions de l'électrodynamique quantique, la théorie fondamentale qui décrit de tels processus. Bien qu'il s'agisse d'énergies énormes, la production de paires dans les champs électriques joue un rôle important dans de nombreux domaines de la physique, de processus dans les solides, en passant par les conditions extrêmes autour des trous noirs et d'autres objets astrophysiques, jusqu'à la physique des plasmas, qui intervient dans la développement des centrales à fusion.
Mais pour les applications, il faut des prédictions robustes, et dans le cas de l'effet oscillant, un détail restait jusqu'à présent en suspens : A quelle vitesse les particules sont-elles produites ? Cette question fondamentale, écrivent Diez, Alkofer et Kohlfürst dans leur publication, concerne d'une part la manière dont nous interprétons le temps à l'échelle quantique, et d'autre part pourrait avoir des conséquences concrètes "dans tous les domaines de recherche où il est question de la naissance de quasi-particules".
Pour leur calcul théorique, les trois physiciens ont développé un modèle simplifié en moins de dimensions, dans lequel il leur a été plus facile d'identifier le moment de la séparation des deux charges. En plus des particules virtuelles et réelles dans les descriptions théoriques habituelles, ils ont introduit un troisième type de particules : les pré-particules, dont le destin est en quelque sorte de devenir de vraies particules. Cela a permis d'éliminer les signaux insignifiants générés par d'autres fluctuations quantiques ou par les fluctuations du champ électrique lui-même. Les préparticules sont rapidement accélérées dans le champ fort et se traduisent bientôt par un signal clair - une particule réelle.
C'est ainsi que Diez, Alkofer et Kohlfürst ont calculé une échelle de temps sur laquelle l'électron et le positron se matérialisent. En raison des champs électriques extrêmement puissants, le temps est en conséquence minuscule, de l'ordre du billionième de milliardième de seconde. Cela semble pratiquement insignifiant, mais c'est avant tout une prédiction concrète. Il reste maintenant à voir si elle pourra être confirmée un jour en laboratoire lors d'expériences avec des lasers de forte puissance.
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Photo de couverture:© SpicyTruffel / Getty Images / iStock (détail) Avec un champ électrique suffisamment puissant, on peut faire apparaître des particules même à partir de rien.
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