Durée caractéristique d'une particule virtuelle (versus oméga charmé)

[Husserliana]

Bonjour à tous !

C'est une question que j'aurais voulu poser à Deedee, hélas (étant vraisemblablement l'auteur du paragraphe concernant ce point, sur la page "particule virtuelle" de Wikipédia).*

Pour autant que je comprenne, la distinction en réel et virtuel repose en partie en ceci : si une particule existe sur une durée très grande par rapport à celle de son interaction avec d'autres particules, alors l'incertitude globale sur le temps est très grande et donc, d'après l'ultime inégalité de Heisenberg, l'incertitude sur son énergie est quasi nulle : la précision sur son énergie est très grande ;— dans ce cas, la particule est considérée comme réelle.
À l'inverse, si la durée caractéristique de la particule est de l'ordre de celle de l'interaction, l'incertitude sur son énergie est grande : la particule est considérée comme virtuelle.

Ce qui confère donc un caractère quelque peu arbitraire de la distinction entre une particule réelle et une particule virtuelle. Ou dans les termes du wiki :

"En fait, la particule est considérée comme virtuelle seulement si elle apparaît et disparaît au cours du processus. Tandis que si ce qui advient de la particule après le processus est ignoré, on considère la particule comme réelle.
En réalité, si l'on observe la particule avec un appareil de mesure, la particule réelle est également incluse entre deux interactions : une émission ou une interaction et une détection. Par exemple, le photon réel émis par le processus ci-dessus sera observé et donc absorbé par une molécule de nitrate d'argent d'une plaque photographique ou par interaction avec un électron comme dans le premier diagramme, à l'aide d'un détecteur photoélectrique.
Cette distinction virtuel - réel basée sur le fait que la particule n'existe que le temps du processus considéré est donc conventionnelle et dépend du point de vue."


J'incline pourtant à penser qu'on peut limiter cet arbitraire, et pour au moins deux raisons :

1) Même si elle peut s'avèrer très courte (je songe à des expériences de collisions à haute énergie), la durée de vie d'une particule réelle est observable et mesurable dans des expériences. Leir désintégration est un événement mesurable et les particules sont considérées comme ayant existé pendant un temps fini et mesurable

2) La durée de vie d'une particule réelle peut varier de très courte à très longue. Certaines particules, comme le proton, sont incroyablement stables et peuvent exister pendant des durées qui dépassent de loin l'âge de l'univers. En revanche, la durée de vie d'une particule virtuelle est intrinsèquement brève (la faute au principe d'incertitude de Heisenberg).

Et je prends l'exemple de l'oméga charmé (Ωc). Lorsqu'il est produit dans des collisions proton-proton à haute énergie, comme celles observées au LHC, sa durée de vie peut sembler plus courte en raison des conditions énergétiques extrêmes et de la densité des interactions. Cependant, des mesures plus récentes semblent suggérer que sa durée de vie pourrait être presque quatre fois plus longue que ce qui avait été observé précédemment....
Cf: https://home.cern/fr/news/news/physi...ues-physicists


En somme, la distinction entre particules réelles et virtuelles serait fondée sur la mesurabilité et la variabilité de leur "durée de vie". Les particules virtuelles sont des constructions théoriques qui ne sont pas directement observables et ont une existence éphémère dictée par des principes théoriques, tandis que les particules réelles ont des durées de vie qui sont observables et peuvent s'étendre sur un large éventail de temps.

Qu'en pensez-vous ?


*J'aimerais ne pas (trop ?) entrer dans les considérations ontologiques (simples outils de calcul, ne correpondant à rien de physique VS modèles pour des fluctuations de champs ayant des effets physiquement attestables). J'ai cru comprendre que Deedee était favorable à la seconde option (avec certaines réserves), quoique minoritairement défendue.
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[La Limule]

Je ne sais qui a écrit l'article wikipédia sur les particules virtuelles mais en revanche
on peut retrouver ce que Didier en a écrit:
https://ekladata.com/Np21ezN6QjnJJLj...-Quantique.pdf

[ThM55]

Une particule réelle est ce que nous observons. Du point de vue de la physique quantique, c'est un état du champ qui correspond à une énergie et une impulsion données qui sont liées par la relation de dispersion .

La particule virtuelle est un artifice mathématique qui apparaît dans la méthode de perturbation. Il n'est pas utile de se poser la question de leur durée de vie, qui est une chose non mesurable, quelque chose qui reste toujours interne au processus.

On procède comme suit:
1) on part du cas où les particules sont libres, c'est à dire non soumises à interaction. Par exemple pour deux particules chargées (comme un électron et un proton, ou deux électrons, ou un électron et un positron, un électron et un muon, etc etc...), on imagine qu'elles sont tellement éloignées qu'on peut ignorer leur interaction mutuelle par via le champ électromagnétique. C'est en quelque sorte une situation asymptotique, ce qu'on a avant une expérience de collision, et aussi ce que l'on a après, lorsque les particules s'éloignent l'une de l'autre après la collision. On s'intéresse par exemple à la distribution statistique de l'angle de déviation.

2) la réalité est qu'il y a un champ électromagnétique auquel les deux particules sont sensibles via leur charge électrique. Dans un calcul classique, comme par exemple le calcul de Rutherford pour la diffusion d'une particule alpha par un noyau, c'est un processus continu. Dans ce cas particulier classique on sait faire un calcul exact, analytique, et c'est ce qui a permis à Rutherford d'évaluer la taille du noyau, qui l'a surpris par sa petitesse (en fait il a eu beaucoup de chance, le calcul quantique approché en première approximation donne le même résultat que le calcul classique!).

3) mais en physique quantique les équations sont beaucoup plus compliquées, on ne sait pas du tout résoudre cela analytiquement. Cela n'a rien d'exceptionnel ni de propre à la physique quantique. Déjà en physique classique, en mécanique du point comme en mécanique des milieux continus (fluides, solides élastiques etc), dans la plupart des situations, on ne sait pas résoudre les équations analytiquement sauf dans un tout petit nombre de cas très particuliers. On a alors recours à deux types de méthodes. D'abord les méthodes de perturbation, où on espère que la situation réelle est approchable comme une légère modification d'une situation analytique. Eventuellement on espère qu'on peut augmenter la précision par des approximations successives. C'est la méthode classique développée en mécanique céleste, celle qui a permis de déterminer le mouvement des planètes et de la lune au cours des XVIIIème et XIXème siècles, en partant d'orbites képlériennes et en traitant l'influence des autres astres comme des petites perturbations. Ensuite la méthode numérique, qui s'est développée après 1945 avec l'apparition des ordinateurs. Par exemple en mécanique des fluides on résout les équations par discrétisation, par exemple en discrétisant l'espace ou avec des éléments finis. Les équations discrétisées sont résolues par un nombre colossal de calculs très simples portant sur des quantités de mémoire énormes, souvent des terabytes ou beaucoup plus.

4) c'est la même chose en physique quantique. Une des méthodes est celle de perturbation, la plus connue étant celle de Feynman. Elle est en réalité due à Freeman Dyson, qui a comparé les calculs intuitifs mais mal justifiés de Feynman à ceux de Schwinger, beaucoup moins intuitifs mais dérivés plus rigoureusement des lois physiques. Dans la méthode de Dyson, l'influence continue du champ électomagnétique (pour prendre un exemple concret: diffusion d'une particule alpha par un noyau) est écrite comme une série de puissances de la constante de couplage (équivalente à la charge électrique) dont chaque terme est une correction au terme précédent. Il se fait qu'ont peut représenter chaque terme de cette série par un ou plusieurs graphes avec en entrée et en sortie des lignes qui représentent les particules observables avec leurs caractéristiques dynamiques: la particule alpha, le noyau, avant et après leur collision. Et chaque terme de la série est lui-même un produit de facteurs qu'on appelle des "propagateurs" et qui sont aussi représentés dans le graphe par des lignes internes. On appelle ces lignes internes des "particules virtuelles" car elles ont la même allure mathématique que des particules libres observables, sauf pour leur relation de dispersion qui n'est pas respectée. En particulier le quadrivecteur (E,p) peut être de genre espace, elles ne sont pas "sur leur couche de masse". J'ai expliqué tout ça pour bien montrer de quoi il s'agit: ce sont des trucs purement mathématiques, bien que ce soit tellement suggestif quand on trace les diagrammes de Feynman. C'est tellement suggestif que dans la pratique on n'écrit plus les expressions mathématiques, trop nombreuses et difficiles à écrire; on commence par les diagrammes de Feynman et on applique des règles pour retrouver tous les facteurs et termes du terme de la série recherchée et mentalement on raisonne un peu momentanément comme si ces "particules virtuelles" existaient. Il faut noter que dans les situations relativistes aux ordres supérieurs le nombre de diagrammes de Feynman peut être tellement grand que ces calculs sont infaisables "à la main". On utilise des ordinateurs pour les faire, même s'il ne s'agit pas d'une méthode numérique au sens strict.

5) On utilise aussi les méthodes numériques. La méthode la plus connue est celle de la discrétisation sur réseau. Cela a surtout été fait pour la chromodynamique quantique , par exemple pour déterminer la masse des états liés comme les hadrons, qui sont des calculs où la méthode de perturbation est inadéquate car la grandeur de la constante de couplage fait que l'approximation successive échoue lamentablement dès la première ligne. Dans les calculs sur réseau, il n'y a plus de particules virtuelles. Plus exactement, il y a des états quantiques intermédiaires compliqués mais qu'on ne peut pas interpréter simplement comme des particules virtuelles. Cette notion n'a vraiment plus aucun sens, c'est propre à la méthode de perturbation.

Il existe aussi des états quantiques instables. Par exemple le muon (un lepton semblable à l'électron mais environ 200 fois plus massif) a une durée de vie de 2 microsecondes. En tant qu'état quantique libre, sans l'interaction faible, il serait stable. Mais comme il est en interaction avec des champs, en particulier le boson W, qui est responsable de l'interaction faible et cela conduit à sa désintégration en électron, et (anti)neutrinos, par exemple. C'est très différent d'une particule virtuelle car en première approximation on postule l'existence d'un état stable. C'est l'interaction avec d'autres champs qui crée l'instabilité.

[ThM55]

Je suppose qu'on voit que je n'ai pas la même vision des choses que Deedee (dont j'admire pourtant la clarté de présentation et l'énorme travail d'explication qu'il a effectué avec ses textes et ses vidéos!).

Je voudrais ajouter une remarque. Il y a des choses qu'on ne sait pas. Par exemple qu'est-ce qu'un muon? Pourquoi cette masse? Mêmes questions pour le lepton tau. Pourquoi pas des leptons avec 50 fois ou 500 fois la masse de l'électron? En fait si on sait calculer à partir de premier principes des choses comme la durée de vie du muon, c'est surtout parce qu'on a élucidé ses interactions et non pas sa nature propre. Et ces interactions sont communes à d'autres particules, comme le neutron, et au fond quand on calcule sa durée de vie, on ne fait qu'une corrélation avec celle du neutron ou d'autres particules instables.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Husserliana]

Merci La Limule pour cet heureux rappel. Je dispose également d'un document de Deedee sur "le Vide" plus spécifiquement (accessible sur Scribd, mais pas sans contrepartie donc). Me demande parfois s'il ne serait pas utile de rassembler tout ses travaux sur une page du Forum (avis aux modérateurs ?).

Merci à ThM55 (décidément, je n'arrête pas de te rendre les hommages, ces derniers mois !). Tes réponses détaillées m'inspirent d'autres questions que les particules virtuelles – mais qui inviteraient sans doute à d'autres fils de discussion (quoique le sujet, je le sais, ait fait couler beaux-parents d'encre déjà sur le forum).
Je m'en tiendrais simplement, pour commencer, à tes points 4 et 5. Je crois savoir en effet que la thèse selon laquelle les particules virtuelles ne sont que des artefacts mathématiques est partagée par bon nombre de physiciens, peut être la majorité d'entre eux. Reste que certains s'y opposent (et pas simplement dans le contexte de la vulgarisation), comme on s'opose au sujet des interprétations de la MQ.
Je songe à un article récent (2018) de Greg Jaeger, intitulé "Are virtual particles less real ?" (Réponse négative, sinon ce n'est pas drôle ). Tout l'intérêt de son propos est de ne pas en rester aux jolies images, mais d'affronter les principales objections portées à l'existence de ces particules (et sans nier bien sûr que la fonction de Green matérialisée par la ligne interne d'un diagramme ne décrit pas le comportement d'une petite bille... Pas plus qu'une fonction d'onde pour une particule libre). Et de proposer, ce faisant, une définition des particules virtuelles qui ne soit pas tributaire du calcul perturbatif. Bon, il me faudrait creuser cela...!

Mais en rapport à ton point 5, je te soumets la fin de son article (traduit à la va-vite par mes soins) : "On peut également noter qu'une méthode de théorie des champs nonperturbative, la chromodynamique quantique sur réseau, traite les particules virtuelles différemment des autres, comme des "liens" entre des sites d'un réseau spatio-temporel discret où se trouvent des particules en interaction, (dans la limite considérée) infiniment proches sans intervalle fini dans lequel elles peuvent se propager. Cependant, quelle que soit la technique de calcul invoquée pour prédire les quantités mesurables dans le contexte de la QFT standard, la physique implique des processus qui se déroulent dans l'intervalle entre la préparation de l'état initial et la mesure de l'état final. Les états intermédiaires comprendront non trivialement des amplitudes impliquant la présence de quanta médiateurs (s'ils devaient être mesurés directement pendant ce qui serait leur durée de vie relativement courte) ; ceux-ci correspondront à des quanta qui peuvent être qualifiés de virtuels (selon la définition standard) uniquement parce qu'ils n'"apparaissent" pas dans l'état final mesuré. Plus important encore du point de vue de la QFT, la présence et la propagation relativement brèves de quanta virtuels de champs médiateurs distincts de ceux des particules en interaction (par exemple, un proton et un électron dans un processus de diffusion électromagnétique) excluent l'action à distance entre ces particules directement observées, ce qui rend les particules virtuelles indispensables."

[La Limule]

On peut ajouter que si les particules virtuelles sont assurément des artéfacts mathématiques, les particules dites réelles sont également des idéalisations basées sur la notions de particule libre (non créés dans le passé).
C'est un peu mon réflexe: penser en terme de continum plutot q'en termes binaires.

[ThM55]

On peut ajouter que si les particules virtuelles sont assurément des artéfacts mathématiques, les particules dites réelles sont également des idéalisations basées sur la notions de particule libre (non créés dans le passé).
C'est un peu mon réflexe: penser en terme de continum plutot q'en termes binaires.

Je suis tout à fait d'accord. Il y a d'ailleurs, déjà en mécanique quantique non relativiste mais de même en TQC, un traitement non trivial à faire dans l'espace de Hilbert pour définir les états qui représentent les particules entrant dans un processus de diffusion. On essaie de faire correspondre des états en interaction (états "in" et "out") avec des états libres, si possible avec la convergence en norme dans l'espace de Hilbert (opérateurs d'onde de Møller). Un des problèmes est la dispersion des paquets d'onde qui sont censés représenter les états réellement créés. En faisant cela, on doit éliminer les états liés qui sont souvent présents dans la théorie avec interactions. A cause des termes d'interaction, dans une théorie de champ, les objets observables peuvent n'avoir qu'un lointain rapport avec les champs libres qu'on a posés dans le lagrangien. Le formalisme de la diffusion est en fait une sorte d'accident technologique: nos expériences sont le plus souvent le résultat de collisions dans des accélérateurs (mais pas exclusivement!).

[Husserliana]

Merci à tous les deux ! Me voilà toujours aussi perplexe, mais riche de nouveaux éléments pour alimenter ma perplexité
Peut-être mes questions sur les particules virtuelles/fluctuations du vide gagneraient à être posées sur un nouveau fil.

Mais enfin, que la notion même de particule libre (et par suite, de particule réelle) soit une idéalisation, suffit-il à rabattre l'une (la réelle) sur l'autre (la virtuelle) ?
Car qu'il y ait un continuum de l'une à l'autre, c'est bien ce dont atteste l'effet Casimir dynamique, par exemple n'est-ce pas ? J'entends, les expériences que l'on interprète (grossièrement peut-être ? C'est pourtant ce que je crois lire dans les articles universitaires, au moins en préambule) comme le passage de photons virtuels à photons réels... cela n'empêche pas qu'il faille différencier les uns des autres, serait-ce simplement contextuellement (en.fonction des boundaries, du cadre expérimental en général).

Bien sûr, je suppose ici que ces idealisations physico-mathématiques ont chacune un correpondant "réel", qu'elles appréhendent, serait-ce approximativement (le champ libre par exemple), quelque chose du comportement de la Nature. Mais certes, je sors ici mes gros sabots.