Les particules produites par le vide quantique

[andretou]

Bonjour à tous
Je me pose quelques questions au sujet des particules produites par le vide quantique.
On sait que le vide possède une certaine énergie, et que la naissance de particules massives est autorisée d'une part par la relation d'équivalence E=mc², et d'autre part par le principe d'indétermination appliqué aux variables temps et énergie qui leur confère une durée de vie éphémère.

Mais quelles sont ces particules produites par le vide ?
Ces particules sont-elles spécifiques au vide quantique, ou apparaissent-elles également dans d'autres circonstances, comme par exemple lors des collisions entre protons au LHC ?

Merci d'avance pour vos réponses
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[coussin]

On entend toujours parler de paires électron-positron car c'est la plus légère des particules élémentaires* et donc la "plus facile" à produire (ne nécessite "que" 2 me c² d'énergie) mais en principe toute paire de particules-antiparticules est possible.

* Pour une raison que j'ignore, on ne mentionne jamais des paires de photons, ni de neutrinos. Il doit y avoir une raison pour laquelle ces paires sont impossibles à créer...

[coussin]

La deuxième partie de votre question n'a rien à voir. Au LHC, une quantité énorme d'énergie est disponible lors de la collision. De cette énergie, des myriades de particules sont créées et observées.
Les paires de particule du vide quantique ne peuvent jamais être observées.

[andretou]

On entend toujours parler de paires électron-positron car c'est la plus légère des particules élémentaires* et donc la "plus facile" à produire (ne nécessite "que" 2 me c² d'énergie) mais en principe toute paire de particules-antiparticules est possible.

* Pour une raison que j'ignore, on ne mentionne jamais des paires de photons, ni de neutrinos. Il doit y avoir une raison pour laquelle ces paires sont impossibles à créer...

Etes-vous sûr pour la paire électron-positron ?
Car en produisant de telles paires, le vide perdrait continuellement de l'énergie puisque ces particules sont stables, ou au mieux se transforment en rayonnements (dans le cas d'une collision électron-positron), sans jamais retourner au vide.
Or, si le vide est capable de produire des paires électron-positron les unes après les autres (peu importe la cadence), cela signifierait qu'il produit de l'énergie !

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sethy]

Bonjour à tous
Je me pose quelques questions au sujet des particules produites par le vide quantique.
On sait que le vide possède une certaine énergie, et que la naissance de particules massives est autorisée d'une part par la relation d'équivalence E=mc², et d'autre part par le principe d'indétermination appliqué aux variables temps et énergie qui leur confère une durée de vie éphémère.

Mais quelles sont ces particules produites par le vide ?
Ces particules sont-elles spécifiques au vide quantique, ou apparaissent-elles également dans d'autres circonstances, comme par exemple lors des collisions entre protons au LHC ?

Merci d'avance pour vos réponses

En fait, ce qu'il faut bien comprendre, c'est que selon cette théorie, de telles particules naissent et disparaissent en permanence, partout et tout le temps : à côté de nous, en nous, dans le vide et aussi dans le LHC.

D'ailleurs, toujours selon cette théorie, la "fameuse" charge de l'électron (1,609e-19 Coulomb) n'est pas la "vraie" charge de l'électron, mais la charge "écrantée" par toutes les particules (en ce compris celles qui sont chargées). Si chaque électron est ainsi entouré en permanence de son fugace cortège, c'est bien la preuve qu'en fait, ces particules "virtuelles" sont là partout et tout le temps.

Mais je reconnais que c'est très compliqué. Pourquoi ? Parce qu'à 40 ans, j'ai eu la chance de suivre une introduction à l'électro-dynamique quantique. Et jusque là, bien qu'en ayant connaissance de ces particules virtuelles, tout ce que j'avais pu imaginer s'est révélé totalement erroné.

Mais si on suit un tel cours, on voit émerger ces particules virtuelles peut être pas comme une "évidence" dans la théorie mais comme une conséquence.

Et "dans les équations" on voit immédiatement que la seule possibilité pour que de telles particules existent, c'est qu'elles aient une particularité.

Habituellement, une particule a toujours la même masse. Celle de l'électron, c'est 9e-31 kg. Eh bien la, justement, si un électron est crée de la sorte, il peut avoir toutes les masses possibles - sauf - 9e-31 kg, sinon les équations divergent ( = tendent vers l'infini).

On dit que ces particules ne sont pas sur le niveau de masse et c'est pour ça qu'on les appelle virtuelles.

Par la suite, j'avais lu une explication imagée que depuis, j'ai fait mienne (même si je ne suis pas certains qu'elle soit correcte). A peu près tout le temps, ces particules virtuelles, disparaissent dans un temps tellement court que l'énergie est conservée. Mais à la différence de notre corps, dans le LHC par exemple, l'énergie libérée dans les réactions est telle qu'elle peut justement permettre à une particule virtuelle "qui se trouvait justement là" (qui rappelons-le, n'a pas la masse suffisante pour être une "vraie" particule) d'acquérir la masse manquante puisque l'énergie est là. Elle capte alors une part de cette énergie et peut se "matérialiser" puisqu'elle a "enfin" la bonne masse pour devenir une particule physique.

[andretou]

ces particules virtuelles, disparaissent.../...

Que signifie "disparaître" ?
En effet, dans le cas de l'interaction matière-antimatière, les particules ne disparaissent pas, elles se transforment en rayonnement.
Qu'en est-il par exemple du muon ou du tau quand ils arrivent en fin de vie ? Deviennent-ils rayonnement ? Ou pas ?

[coussin]

C'est la raison pour laquelle il s'agit ici d'un processus virtuel, différent d'un processus réel. Les paires créées disparaissent sans se transformer en rayonnement.
Il ne faut pas trop se formaliser sur ces paires créées dans le vide. Ce n'est qu'un modèle qui explique ce que l'on observe, c'est tout. En particulier, à ma connaissance tous les effets associés aux fluctuations du vide (Casimir, Lamb shift, etc...) peuvent être expliqué sans faire appel à une quelconque création de paires.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Muon#Muon_decay
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tau_...cle)#Tau_decay

[andretou]

Au LHC, une quantité énorme d'énergie est disponible lors de la collision. De cette énergie, des myriades de particules sont créées et observées.

Mais ces myriades de particules créées lors des collisions sont-elles différentes des 12 fermions (les 6 quarks + les 3 neutrinos + les 3 leptons) ou des 4 familles de bosons (photons, gluons, bosons Z, bosons W) du modèle standard ?
Existe-t-il des particules autres que celles-ci ?

[coussin]

Il y a un nombre fini de particules élémentaires : 25. Il n'y en a pas d'autres. Toutes les autres particules composites sont formées de ces 25 particules élémentaires, pas le choix.
Les réactions du LHC produisent soit ces particules élémentaires soit des particules composites (protons, pions, mesons, etc...) qui finiront par se désintégrer en particules élémentaires. Ce sont des réactions en cascades.

[coussin]

Correction : 26 si on y met le graviton et il faut y inclure toutes les antiparticules (mais ça ne fait pas un total de 52 car certaines particules sont leur propre antiparticule)...

[andretou]

Ok !
Donc si le vide produit des particules, elles font forcément partie de cette liste, n'est-ce pas ?

[coussin]

Oui. Jusqu'à preuve du contraire, il n'y a pas d'autres particules élémentaires.
C'est pourquoi les scientifiques sont intéressés quant à la nature de la matière noire. A priori, la matière noire ne peut pas être constituée des particules élémentaires connues.

[andretou]

Mais alors comment une particule issue du vide peut-elle disparaître (après un certain temps) sans laisser la moindre trace ?
En supposant qu'elle se transforme en énergie pure, ne devrait-elle pas émettre au moins un photon ?

[mizambal]

Hey ya pas des modèles qui parle d'énergie négative pour l'antiparticule ? C'est à dire que des paires peuvent être crée [ 0 = 1 + ( -1 ) ] ou détruites [ 1 + ( -1 ) = 0 ] sans que le vide ne crée ou consomme de l'énergie. Je ne fait que poser la question, j'ai peu lu sur le sujet mais j'avoue c intéressant :P

[gts2]

Mais alors comment une particule issue du vide peut-elle disparaître (après un certain temps) sans laisser la moindre trace ?
En supposant qu'elle se transforme en énergie pure, ne devrait-elle pas émettre au moins un photon ?

Il ne se crée pas une particule mais un doublet particule/antiparticule en "empruntant" l'énergie E, puis l'annihilation restitue E.

[andretou]

Il ne se crée pas une particule mais un doublet particule/antiparticule en "empruntant" l'énergie E, puis l'annihilation restitue E.

Mais dans le cas d'une interaction matière-antimatière il y aurait émission d'un photon minimum... La particule et l'antiparticule ne peuvent pas "disparaître" sans laisser de traces !
De plus il faudrait que la particule et l'antiparticule soient émises de telle sorte qu'elles se collisionnent systématiquement, ce qui paraît hautement improbable...

[Sethy]

Mais dans le cas d'une interaction matière-antimatière il y aurait émission d'un photon minimum... La particule et l'antiparticule ne peuvent pas "disparaître" sans laisser de traces !
De plus il faudrait que la particule et l'antiparticule soient émises de telle sorte qu'elles se collisionnent systématiquement, ce qui paraît hautement improbable...

J'imagine que tu connais le principe d'incertitude de Heisenberg. La forme la plus courante lie "vitesse" et "position".

Mais on peut l'exprimer sous d'autres formes comme une qui lie moment angulaire et rotation, et enfin celle qui nous intéresse ici et qui lie Energie et temps.

Ces trois couples de grandeurs ont un sens physique très profond (dont je ne mesure pas toute la portée*). Déjà leur produit donne une autre grandeur qu'on appelle "l'action" et qui a les dimension de la fameuse constante de Planck (Joules x secondes).

Ce que ce principe nous dit c'est qu'il n'est pas possible de connaitre les deux grandeurs de ces couples de manière totalement précises.

Or si Energie et temps sont lié par ce principe d'incertitude, ça veut dire qu'il "pourrait" exister un temps tellement court (= connaissance quasi parfaite du temps) durant lequel l'imprécision sur l'Energie serait telle que certains phénomènes sont possibles en violation du principe de conservation de l'énergie.

Et c'est pendant ce temps tellement court que justement ces paires virtuelles sont "presque" crées et puis arrivent à disparaître. Attention, ce qui leur manque pour devenir réelles, ce n'est pas du temps, c'est de l'énergie. Or justement si elle ne peuvent habituellement trouver cette énergie, dans le LHC, lorsqu'une collision a lieu, l'énergie est là.

* Voir par exemple, la démonstration d'Emily Noether sur les invariants en physique et le lien avec la conservation des symétries.

[Sethy]

C'est la raison pour laquelle il s'agit ici d'un processus virtuel, différent d'un processus réel. Les paires créées disparaissent sans se transformer en rayonnement.
Il ne faut pas trop se formaliser sur ces paires créées dans le vide. Ce n'est qu'un modèle qui explique ce que l'on observe, c'est tout. En particulier, à ma connaissance tous les effets associés aux fluctuations du vide (Casimir, Lamb shift, etc...) peuvent être expliqué sans faire appel à une quelconque création de paires.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Muon#Muon_decay
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tau_...cle)#Tau_decay

Sais-tu s'il existe aussi un modèle alternatif pour l'effet Hawking ? Car si j'ai bien compris, il est aussi basé sur cette création de couples de particules virtuelles, mais localisé à l'endroit même de l'horizon du trou noir.

[coussin]

Sais-tu s'il existe aussi un modèle alternatif pour l'effet Hawking ? Car si j'ai bien compris, il est aussi basé sur cette création de couples de particules virtuelles, mais localisé à l'endroit même de l'horizon du trou noir.

Ce n'est pas ma spécialité mais j'ai lu quelques articles "bateau" sur le rayonnement de Hawking. Et dans ces articles, ça ne devrait pas vous surprendre, il n'est jamais question de cette interprétation en termes de paires créées à l'horizon qu'on rencontre dans la vulgarisation de cet effet.
Non, la dérivation standard, si je devais la résumer en 2 mots, fait appel à une transformation de Bogolioubov faite sur l'état vide. À cause de la courbure de l'espace-temps, cette transformation de Bogolioubov mène à un déséquilibre entre les fréquences positives et négatives et donc à une émission nette de particules (en espace-temps plat, il n'y a pas de déséquilibre entre fréquences positives et négatives et donc pas d'émission de particules).
Je ne saurais en dire plus. Les spécialistes rentreront plus dans les détails si besoin.

[mizambal]

Mais ces myriades de particules créées lors des collisions sont-elles différentes des 12 fermions (les 6 quarks + les 3 neutrinos + les 3 leptons) ou des 4 familles de bosons (photons, gluons, bosons Z, bosons W) du modèle standard ?
Existe-t-il des particules autres que celles-ci ?

t'as oublié higgs donc ça fait 17, bah de toute façon le modèle std semble n'être qu'une approximation à basse énergie d'ou la theorie de la supersymétrie et malheureusement comme le LHC a été sous dimensionnée du coup les physiciens branchés 'supersymétrie' pourront sans doute pas utiliser le bibiou pour trouver les nelles particules élémentaires attendues (si elles existent ^^)

enfin anciennement attendus car là c au point mort en attendant pourquoi pas de nouveaux instruments plus performant dans le sillage d'AWAKE au Cern qui est une petite révolution -> https://home.cern/fr/news/news/exper...ates-electrons

[andretou]

J'imagine que tu connais le principe d'incertitude de Heisenberg. La forme la plus courante lie "vitesse" et "position".
Mais on peut l'exprimer sous d'autres formes comme une qui lie moment angulaire et rotation, et enfin celle qui nous intéresse ici et qui lie Energie et temps.

Justement, j'ai l'impression que l'inégalité de Heisenberg appliquée aux variables temps et énergie fait l'objet d'interprétations différentes :

1/ dans l'article Wikipedia sur le principe d'incertitude :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Princi...s-%C3%A9nergie

Il existe également une relation d'incertitude portant sur l'énergie d'une particule et la variable temps. Ainsi, la durée nécessaire à la détection d'une particule d'énergie à près vérifie la relation :

(A)

2/ dans l'article Wikipedia sur le vide quantique :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Vide_quantique#In%C3%A9galit%C 3%A9_d'Heisenberg

Cette inéquation (A) signifie que le produit de la variation de l'énergie par une certaine durée (variation de temps) est obligatoirement supérieure à une valeur non nulle. Ce qui veut dire qu'il est possible d'emprunter de l'énergie au vide pendant un temps très court. C'est ce mécanisme qui est à l'origine des fluctuations du vide.

3/ dans l'article Wikipedia en Anglais
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Unce...ciple#Examples

An informal, heuristic meaning of the principle is the following: A state that only exists for a short time cannot have a definite energy. To have a definite energy, the frequency of the state must be defined accurately, and this requires the state to hang around for many cycles, the reciprocal of the required accuracy.


L'interprétation 2 semble affirmer que le principe d'indétermination est partie prenante dans la création de particules par le vide quantique (en tous cas la justifie), tandis que les interprétations 1 et 3 se contentent de dire que plus dt est petit, plus l'imprécision sur E est grande, ce qui n'est du tout pareil !...

[andretou]

Je viens de trouver cet article paru cette année dans Nature, dans lequel les auteurs affirment qu'ils ont observé directement les particules produites par les fluctuations du vide.
Je n'ai hélas pas compris les corrélations en question (quelqu'un peut-il expliquer ?), mais il est indiqué en préambule que l'apparition de particules est bien une conséquence du principe d'incertitude...


http://https://www.nature.com/articl...86-019-01083-z

A surprising result in quantum mechanics is that a vacuum is not empty. Particles can appear out of nothing for very short periods of time. This phenomenon can be understood as a consequence of the energy–time uncertainty principle, whereby restriction of a measurement to an extremely short time interval leads to large fluctuations in energy in the interval. Although indirect effects of these ‘virtual’ particles are well studied, it is only by probing a vacuum on very short timescales that the particles become ‘real’ and can be directly observed.

[Sethy]

(je répondais à la question précédent)

Pour moi, les 3 sont correctes. La formulation de la 3ème est peut être ambigüe. Je dirais simplement que si on suppose un temps extrêmement court, l'imprécision absolue (car ici c'est bien de ça qu'il s'agit) est forcément également très petite.

Si on mesure une cellule qui fait 10^-4 m à 20% près, l'ordre de grandeur de l'erreur est de 10^-5 m.

Ensuite, je le rappelle, on ne parle pas que du vide. Ce phénomène se passe partout et tout le temps.

Simplement dans le vide, il n'y a pas beaucoup d'autres phénomènes et celui-là devient donc prépondérant alors que dans la matière, il y a une foule d'effets : attraction électrique, liaison moléculaires, les 3 forces d'attraction entre dipôles, etc., etc., etc.

[andretou]

Quelle que soit l'interprétation que l'on fait du principe d'indétermination, on sait qu'une fois que la particule virtuelle devient réelle, elle est appelée à disparaître à tout moment.
De ce fait, d'après le principe fondamental de la mécanique quantique, elle se trouverait donc à chaque instant dans un état superposé plutôt rigolo : "elle existe" (état réel) ET "elle n'existe pas" (état virtuel) !!!
Par conséquent, une particule produite par les fluctuations du vide ne disparaîtrait pas (au sens "classique") ! C'est l'observateur qui, en provoquant la réduction du paquet d'onde, découvre si la particule est dans l'état réel ou virtuel.
Autrement, si la particule disparaît purement et simplement après un certain temps, qu'est-ce qui l'obligerait à disparaître ? Et par quel mécanisme disparaîtrait-elle sans laisser aucune trace ?
Il me semble que le principe de la superposition d'états permet de résoudre ce problème.

[coussin]

Je pense qu'il y a incompréhension : quand on dit que des particules apparaissent puis disparaissent du vide, on ne veut pas dire que des particules virtuelles deviennent réelles un temps avant de redevenir virtuelles. Ça n'a pas de sens.
Le processus de création de particules réelles ex nihilo est très particulier et ce n'est de ça qu'on parle quand on parle des fluctuations du vide.

[Sethy]

Je pense qu'il y a incompréhension : quand on dit que des particules apparaissent puis disparaissent du vide, on ne veut pas dire que des particules virtuelles deviennent réelles un temps avant de redevenir virtuelles. Ça n'a pas de sens.
Le processus de création de particules réelles ex nihilo est très particulier et ce n'est de ça qu'on parle quand on parle des fluctuations du vide.

Je me permets de "quoter" pour signaler que je suis à 100% d'accord avec ce qui est écrit.

[Sethy]

Quelle que soit l'interprétation que l'on fait du principe d'indétermination, on sait qu'une fois que la particule virtuelle devient réelle, elle est appelée à disparaître à tout moment.

Je pense que si tu inities ces discussions, c'est que tu apprécies avoir des réponses.

Mais alors, s'il te plait, prend la peine de les lire entièrement et de t'arrêter un moment pour en saisir le sens.

J'ai au moins écrit 3x que ces particules étaient virtuelles, maintenant Coussin a encore du le répéter.

Même si tu as une idée préconçue, prend le temps de la revisiter en tenant compte de ce que tu viens d'apprendre.

[andretou]

Pour quelle raison la superposition d'états virtuel-réel ne vous convient pas, puisqu'il est admis que ces particules peuvent passer de l'état virtuel à l'état réel ?
it is only by probing a vacuum on very short timescales that the particles become ‘real’ and can be directly observed

D'après ce que j'ai compris, tant que la particule n'est pas détectée, elle est dans une superposition d'états virtuel-réel, ce qui autorise toutes les apparitions et disparitions que l'on veut (une particule dans un état virtuel pourrait être, éventuellement, une simple "poche" d'énergie (aussi appelée fluctuation du vide)).
Mais une fois détectée (ce qui est évidemment extrêmement difficile voire impossible car comment savoir si la particule détectée a été produite par le vide ou pas, d'autant que le simple fait de la détecter, n'étant pas neutre en termes d'énergie, peut être à l'origine de la création de la particule !), alors la particule ne peut plus disparaître, elle reste définitivement réelle.
Sinon, comment expliquer que des particules disparaîtraient sans laisser la moindre trace ?

[coussin]

Il faut bien comprendre que cette histoire de paires qui apparaissent et disparaissent, on rencontre cette analogie dans les ouvrages de vulgarisation seulement. Personnellement, je n'aime pas cette image. Cette analogie a pour moi le même statut que le fameux drap tendu pour illustrer la courbure de l'espace-temps.

Le traitement rigoureux est très clair mais moins "sexy", c'est sûr... C'est de la QFT de base, l'état vide y est bien défini. On peut calculer des valeurs moyennes de différentes observables dans cet état vide et constater que ces observables ont des dispersions non nulles : elles fluctuent. Point.

[Sethy]

Sinon, comment expliquer que des particules disparaîtraient sans laisser la moindre trace ?

Parce qu'elles n'apparaissent pas ...