Création de masse et de charge

[curiossss]

Bonjour,

Il est bien établi que tout rayonnement d'énergie 1.022+ MeV, qui n'a pas de masse et est électriquement neutre, se transforme en une paire électron-positron (massive et chargée en opposition) lorsqu'il interagit avec une particule lourde telle qu'un noyau d'atome.
Si l'énergie initiale excède 1022 MeV le reste se transforme en énergie cinétique des particules nouvellement créées.

Comment s'explique la création de masse et de charge ?
Merci.
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[albanxiii]

Bonjour,

La masse est une des formes que peut prendre l'énergie, donc pas de problème.
Pour les charges ce qui compte c'est la conservation totale, donc en fait il n'y a pas création nette de charge, juste conservation.

[Hermillon73]

Bonsoir,

Une remarque aussi, faites attention à vos énoncés : TOUT rayonnement d'énergie...(même si cela n'a pas d'influence sur votre question qui reste compréhensible).
Cordialement.

[curiossss]

Bonjour,

La masse est une des formes que peut prendre l'énergie, donc pas de problème.
Pour les charges ce qui compte c'est la conservation totale, donc en fait il n'y a pas création nette de charge, juste conservation.

Oui, la masse c'est de l'énergie, mais je me demandais si on avait une idée du processus qui, dans cet exemple, transforme des photons sans masse et sans charge en deux particules ayant de la masse et une charge.

Il y a un réarrangement de l'énergie, je ne sais pas si on a déjà avancé des théories pour l'expliquer (on a bien modélisé le photon et on pourrait utiliser ce modèle comme point de départ), ou si pour nous c'est juste une boite noire, on sait ce qui y rentre, on sait ce qui en ressort, mais on n'a aucune idée de ce qui se passe dans la boite...

Autre question :
Un flux de photons contre des noyaux d'atomes génèrent des électrons + positrons si l'énergie est suffisante. Peut-on obtenir le même résultat avec le 'choc' frontal de 2 flux de photons sans intervention d'un noyau atomique ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Oui, la masse c'est de l'énergie, mais je me demandais si on avait une idée du processus qui, dans cet exemple, transforme des photons sans masse et sans charge en deux particules ayant de la masse et une charge.

Deux choses.

D'une part la masse totale est conservée. La masse de deux photons (chacun sans masse propre) non colinéaires est non nulle (la masse n'est pas additive en relativité).

Ensuite, oui on connait le mécanisme en théorie quantique des champs. Ce n'est pas tant la masse qui est créée que des particules (et il se fait que certaines on une masse propre d'autre pas, sans plus). Ce sont des excitations de champs et le mécanisme est simplement les interactions entre ces excitations (ces particules) donnant d'autres excitations. Evidemment c'est assez complexe (expression des amplitudes quantiques passant d'un état à un autre, transformation à l'aide du théorème de Wick, identification de chaque terme à un diagramme de Feynman et l'intégrale correspondant etc... avec au passage l'utilisation du lagrangien qui contient les termes de champs libres et les termes d'interaction). La masse d'une pas un truc "en plus" dans les particules, c'est juste une propriété de celles-ci comme leur position, leur vitesse, leur spin, et chaque particule a des propriétés différentes. On crée des particules et chacune a des propriétés données, sans plus, faut pas y voir autre chose.

Pour des photons frontaux, non, pas à ma connaissance. La diffusion photon-photon a une section efficace vraiment rikiki et c'est déjà extraordinaire d'avoir pu la mesurer. Mais pour la création de paire on peut se brosser.
On sait même que dans un pur champ électrique assez intense on devrait avoir création de paires e- - e+. Mais il faut des champs électriques si intense qu'on ne sait pas les produire.

Je crois (à confirmer) que de telles créations de paires ont été observées dans le champ magnétique des magnétars. Mais en labo c'est inaccessible.

[albanxiii]

Oui, la masse c'est de l'énergie, mais je me demandais si on avait une idée du processus qui, dans cet exemple, transforme des photons sans masse et sans charge en deux particules ayant de la masse et une charge.

J'allais répondre un peu comme Deedee81, on n'a pas vraiment d'autre réponse que ce que donnent les calculs de théorie quantique des champs.
Quand un processus (ici transformation d'un gamma en e+ e- par exemple) est possible, on est juste capable de calculer avec quelle probabilité, mais la théorie ne nous indique pas le processus physique. On le constate, on est capable de le calculer et le prédire, mais "c'est tout". Je ne suis pas le couteau le plus aiguisé du tiroir sur ce sujet là, pour moi on en est au stade la la boîte noire. Si on a d'autres développements là dessus je suis curieux de les connaître (sachant que personnellement je n'accorde pas d'attention à tout ce qui concerne les problèmes, que je considère philosophiques, d'interprétation de la MQ).

[Deedee81]

Ah oui, bien sûr, les amplitudes et les probabilités restent maître en TQC. Et de plus, il faut bien le dire, c'est déjà pas facile d'interpréter (et vulgariser) la MQ, mais c'est encore pire avec la TQC. Déjà je ne suis pas toujours d'accord sur certains aspect physiques des calculs avec d'autres maîtrisant la TQC. C'est un sujet difficile.

[XK150]

Ici , La masse provient du quadrivecteur masse -impulsion des gammas , explication :

https://physics.stackexchange.com/qu...air-production

Considérez l'impulsion des photons comme une résistance au changement de mouvement pour une onde se propageant linéairement à c. Vous avez peut-être entendu parler du spin des électrons et de l' effet Einstein-de Haas qui "démontre que le moment cinétique de spin est bien de même nature que le moment cinétique des corps en rotation tel qu'il est conçu en mécanique classique". Et de la nature ondulatoire de la matière, et des orbitales atomiques où les électrons "existent sous forme d'ondes stationnaires". Pensez donc à la masse des électrons comme résistance au changement de mouvement pour une onde qui tourne en rond à c. N'oubliez pas que lorsque vous emprisonnez un photon sans masse dans une boîte-miroir de Gedanken, vous augmentez la masse de ce système. La boîte est plus difficile à déplacer lorsqu'elle contient le photon sans masse. Ensuite, lorsque vous ouvrez la boîte, c'est un corps rayonnant qui perd de la masse, comme le disait Einstein dans son article E=mc².L'électron est comme un photon dans une boîte, mais sans la boîte. Voir Light is Heavy de van der Mark et 't Hooft (pas le prix Nobel).

From the energy-momentum of the gamma photons. Think of photon momentum as resistance to change-in-motion for a wave propagating linearly at c. You've maybe heard of electron spin and the Einstein-de Haas effect which "demonstrates that spin angular momentum is indeed of the same nature as the angular momentum of rotating bodies as conceived in classical mechanics". And of the wave nature of matter, and of atomic orbitals wherein electrons "exist as standing waves". So think of electron mass as resistance to change-in-motion for a wave going round and round at c. Don't forget that when you trap a massless photon in a gedanken mirror-box, you increase the mass of that system. The box is harder to move when it's got the massless photon inside it. Then when you open the box, it's a radiating body that loses mass, just as like Einstein said in his E=mc² paper. The electron is like a photon in a box, but without the box. See Light is Heavy by van der Mark and 't Hooft (not the Nobel prizewinner).

[curiossss]

Ici , La masse provient du quadrivecteur masse -impulsion des gammas , explication :

https://physics.stackexchange.com/qu...air-production

Considérez l'impulsion des photons comme une résistance au changement de mouvement pour une onde se propageant linéairement à c. Vous avez peut-être entendu parler du spin des électrons et de l' effet Einstein-de Haas qui "démontre que le moment cinétique de spin est bien de même nature que le moment cinétique des corps en rotation tel qu'il est conçu en mécanique classique". Et de la nature ondulatoire de la matière, et des orbitales atomiques où les électrons "existent sous forme d'ondes stationnaires". Pensez donc à la masse des électrons comme résistance au changement de mouvement pour une onde qui tourne en rond à c. N'oubliez pas que lorsque vous emprisonnez un photon sans masse dans une boîte-miroir de Gedanken, vous augmentez la masse de ce système. La boîte est plus difficile à déplacer lorsqu'elle contient le photon sans masse. Ensuite, lorsque vous ouvrez la boîte, c'est un corps rayonnant qui perd de la masse, comme le disait Einstein dans son article E=mc².L'électron est comme un photon dans une boîte, mais sans la boîte. Voir Light is Heavy de van der Mark et 't Hooft (pas le prix Nobel).

Très intéressant, car j'espérais justement une réponse dans ce genre, et 'avec les mains' car les formules c'est beau mais ça n'aide pas à visualiser les grandes lignes.
Je me résume une particule comme un ensemble d'ondes (photons...) en circuit fermé (en ondes stationnaires...). Après lorsqu'il faut déplacer la 'pelote' il faut ajouter du 'fil' pour la partie correspondante au déplacement linéaire, et aussi pour habiller un plus grand étalement spatial dû à la vitesse. C'est avec les mains et c'est juste une image mentale naïve pour départager les énergies en jeu (masse et cinétique).

L'énergie des photons nécessaire à la création de la paire électron-positron au repos est de 1022 MeV ce qui est exactement la somme des masses d'un électron et d'un positron au repos, de ce côté là on est équilibrés, reste ensuite à visualiser l'apparition d'une charge positive et d'une charge négative.
Alors se pourrait-il qu'un photon de charge neutre puisse être composé de deux parties, une avec une charge positive et l'autre avec un charge négative sans que cela contredise la théorie ?

[Deedee81]

Salut,

Alors se pourrait-il qu'un photon de charge neutre puisse être composé de deux parties, une avec une charge positive et l'autre avec un charge négative sans que cela contredise la théorie ?

Non, ça ce n'est pas possible (je ne critiquerai pas le reste, après tout une image mentale est ce qu'elle est, elle est faite par l'auteur, pour l'auteur, pour aider).

[Deedee81]

Plus de détail.

La charge est une propriété des champs (fonctions d'onde) complexes.
Ainsi dans l'équation de Dirac, la fonction d'onde électron/positron est un champ scalaire complexe.
On constate que sous une transformation globale de phase (identique en tout point de l'espace-temps), l'équation est inchangée. C'est donc une symétrie de ce champ.
Et à toute symétrie continue correspond une grandeur conservée (comme les translations dans le temps => l'énergie). https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%...her_(physique)

Ici on l'a compris la grandeur correspondante et la charge électrique (cela se voit immédiatement quand on considère le couplage au champ électromagnétique).
La charge pouvant être nulle, positive ou négative (sa quantification est moins claire, la seule explication connue est du coté des cordes ou de Kaluza-Klein).

Et donc la charge est UNE propriété précise pour UNE particule élémentaire.

Par conséquent le photon ne peut pas avoir de charge positive et négative. Sauf s'il était composite (comme peut l'être le neutron par exemple). Mais rien ni dans la théorie, ni l'expérience n'indique que le photon serait composite. A tout point de vue il semble vraiment être une particule élémentaire et donc sans charge électrique.

Notons d'ailleurs que le champ électromagnétique a aussi une telle symétrie de phase, plus précisément la symétrie de jauge. Et si on prend l'équation de Dirac et qu'on souhaite une symétrie de phase locale (différente en chaque point) ça ne marche pas sauf en ajoutant (et il y a une seule manière de faire) un champ de jauge (qui n'est autre que le champ EM) et le couplage approprié (couplage minimal). Ce qui est quand même assez fabuleux je trouve