Depuis des décennies, la physique quantique prédit la création spontanée de particules à partir d’un espace apparemment vide – un concept connu sous le nom de particules virtuelles. Aujourd’hui, pour la première fois, les scientifiques du collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) ont retracé l’évolution de ces particules « quelque chose à partir de rien », confirmant leur existence et leur comportement dans une expérience révolutionnaire. Les résultats, publiés dans Nature, fournissent des preuves directes de l’origine de particules provenant du vide quantique et mettent en lumière des questions fondamentales sur la masse et la nature de la réalité.
Le vide quantique : pas si vide
L’univers, à son niveau le plus élémentaire, n’est rempli de rien. Au lieu de cela, la théorie quantique suggère un « vide » agité regorgeant de particules virtuelles qui clignotent et disparaissent en raison de l’incertitude inhérente à la mécanique quantique. Ces particules ne durent pas longtemps, car le principe d’incertitude de Heisenberg stipule que l’énergie et le temps ne peuvent pas être connus avec précision. Cela permet aux particules et à leurs homologues d’antimatière d’« emprunter » brièvement de l’énergie au vide, existant pendant des instants éphémères avant de s’annihiler.
Traditionnellement, les effets de ces particules ont été indirects : ils ont été observés à travers leur influence sur d’autres phénomènes. Mais les chercheurs du RHIC ont désormais observé le processus directement.
Collisions et enchevêtrements : rendre l’invisible réel
Au RHIC, les physiciens entrent en collision avec des protons à une vitesse proche de celle de la lumière, créant des conditions d’énergie extrême. Ces collisions fournissent la « poussée » nécessaire pour que les particules virtuelles deviennent réelles. Lorsqu’une paire de particules virtuelles apparaît dans cet environnement à haute énergie, elle peut puiser dans l’énergie de la collision pour se stabiliser et persister.
L’expérience s’est concentrée sur des paires de quarks « étranges », des particules fondamentales qui, une fois créées, se combinent rapidement avec d’autres pour former des hypérons lambda. Ces hypérons ont une durée de vie courte et se désintègrent presque instantanément en particules détectables. En suivant les produits de désintégration, les physiciens ont pu déduire la direction de rotation des hypérons lambda d’origine et, surtout, la rotation corrélée de leurs quarks étranges constitutifs.
L’observation clé était que ces quarks présentaient systématiquement des spins parallèles. Cet alignement suggère qu’ils sont originaires d’une paire intriquée issue du vide quantique, conservant leur connexion même s’ils se sont séparés après la collision.
Confirmer une prédiction de longue date
Les résultats valident une prédiction théorique vieille de 30 ans faite par le physicien Dmitri Kharzeev et ses collègues. “C’est passionnant de voir que la nature suit cette prédiction”, a déclaré Kharzeev, soulignant l’importance de la confirmation expérimentale pour des idées théoriques de longue date.
La capacité d’observer ce processus ouvre de nouvelles voies pour comprendre l’un des plus grands mystères de la physique nucléaire : l’origine de la masse des protons. Les quarks à l’intérieur des protons ne représentent qu’une infime fraction de leur masse totale ; les 99 % restants proviendraient d’interactions avec des particules virtuelles dans le vide. En retraçant le parcours des particules virtuelles aux particules réelles, les scientifiques espèrent comprendre comment cette masse est générée.
Fin d’une époque, aube de nouvelles recherches
Le RHIC devrait conclure cette semaine ses 25 ans d’activité, avec des parties de la machine réutilisées pour le prochain collisionneur électron-ion. Cette nouvelle installation promet de s’appuyer sur ces découvertes, en explorant davantage la dynamique cachée du vide quantique et les éléments fondamentaux de la matière.
L’observation directe de particules émergeant du néant représente une avancée majeure dans notre compréhension de l’univers, comblant le fossé entre la théorie et l’expérience dans le domaine de la physique quantique. Les implications de cette recherche continueront de se dévoiler à mesure que les scientifiques repousseront les limites de ce que nous savons sur la nature de la réalité.
