Le positronium défie les prédictions de la physique

Il y a plus d'un siècle, la physique classique - celle de Newton, Maxwell, Helmholtz et Boltzmann - semblait si solidement établie qu'on pouvait la croire aussi indépassable que la physique la plus primitive connue de l'Humanité, celle de la géométrie euclidienne décrivant les propriétés des déplacements des corps solides, comme l'expliquait de manière approfondie le grand mathématicienmathématicien Henri PoincaréHenri Poincaré au début de son célèbre ouvrage La Science et l’Hypothèse. EinsteinEinstein reprendra ce point de vue, comme il l'explique dans ses conférences données à l'université de Princeton et publié sous le titre The Meaning of Relativity.

Or, il y avait déjà en 1900 de curieuses anomaliesanomalies que l'on pouvait penser n'être que des exceptions sans importance et que l'on finirait bien par expliquer dans le cadre de la physique classique. Il y avait le curieux phénomène photoélectriquephotoélectrique qui se produisait lorsque l'on soumettait certains métauxmétaux à des rayonnements de fréquences bien déterminés et pas d'autres, l'énigmatique échec de l'expérience de Michelson et Morley  et le bizarre avancement du périhélie de MercureMercure.

L'histoire a montré qu'il s'agissait de minuscules pointes émergées de révolutions fondamentales des fondements de la physique puisqu'elles ont conduit aux révolutions quantiques et relativistes avec les quanta de lumièrelumière, les ondes de matièrematière et la géométrie non euclidienne des espaces-tempsespaces-temps courbes.

On peut se demander s'il n'en est pas de même aujourd'hui avec une anomalie détectée concernant le positroniumpositronium, comme l'explique un groupe de physiciensphysiciens dans un article publié dans Physical Review Letters.

Futura avait déjà parlé du positronium pour introduire un article (voir ci-dessous) portant sur un cousin de ce système quantique relevant de la physique des particules, et plus exactement de la plus précise des théories physiques découverte par Homo sapiensHomo sapiens, l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique. Le positronium est un équivalent de l'atomeatome d'hydrogènehydrogène mais au lieu d'avoir un électronélectron en orbiteorbite (si l'on peut dire) autour d'un protonproton, ce qui tient lieu de noyau chargé positivement est l'antiparticuleantiparticule de l'électron, le positronpositron.

Une vue d'artiste du positronium. Rappelons qu'à strictement parler, des orbites n'existent pas dans le monde quantique. © APS/Alan Stonebraker

Une anomalie dans le spectre des émissions de lumière

Comme il existe un cousin plus lourd de l'électron appelé muonmuon, on peut imaginer un système lié analogue au positron. Or, on sait depuis un moment déjà que le muon ne se comporte pas comme le prédit le modèle standard en physique des particules. Une nouvelle physique pouvait donc pointer aussi le bout de son neznez avec l'étude du muonium. Mais de façon surprenante, c'est peut-être déjà le cas avec le positronium que des physiciens de l'University College London ont étudié avec plus de précision.

En son temps, l'atome d'hydrogène avait servi de laboratoire pour découvrir et développer la théorie quantique en raison de sa simplicité. Le positronium est encore plus simple car tout comme l'électron, le positron ne semble pas composé contrairement au proton fait de quarksquarks et de gluonsgluons. Dans le cas présent, les physiciens se sont penchés sur la structure fine du spectrespectre du positronium, c'est-à-dire la façon dont le système émet de la lumière avec des transitions entre des niveaux d'énergieénergie quantifiés.

Des transitions ont été produites en utilisant du rayonnement laserlaser dans le domaine des micro-ondes, ce qui est d'ailleurs plus précisément du rayonnement masermaser même si la physique impliquée est la même. Une transition quantique devait se produire avec une onde dont la fréquence prédite à partir des calculs des théoriciens qui était d'environ 18.498 mégahertz. Or, les expérimentateurs ont mesuré une valeur de 18.501 mégahertz, une différence a priori faible puisque d'environ 0,02 %. Mais, étant donné que l'erreur expérimentale estimée n'était que d'environ 0,003 %, il s'agit d'un écart important.

Malgré tous leurs efforts ni les théoriciens ni les expérimentateurs n'ont trouvé de failles dans leur travail. Cela pourrait vouloir dire qu'il faut introduire de la nouvelle physique mais la prudence s'impose comme on peut s'en douter avec une déclaration du physicien théoricien Jesús Pérez Ríos de l'Institut Fritz HaberFritz Haber de la société Max PlanckMax Planck de Berlin (qui n'était pas impliqué dans la nouvelle recherche) : « Pour l'instant, le mieux que je puisse vous dire, c'est que nous ne savons pas ». Mais le chercheur ne s'est tout de même pas privé de se livrer à quelques spéculations, évoquant la possible influence d'un des champs de particules hypothétiques dont l'existence a été avancée en particulier pour donner corps à la théorie de la matière noire, l’axion.

Toutefois, il est difficile de ne pas arriver à la conclusion que si tel était bien le cas, on aurait déjà dû voir l'effet de l'axionaxion dans d'autres expériences.

Le muonium, prochaine conquête de la physique ?

Le positronium - un électron autour d'un positron - est connu théoriquement et obtenu expérimentalement mais personne ne savait comment réaliser un assemblage de muon et d'antimuon pour former du muonium. Deux chercheurs américains croient aujourd'hui savoir comment s'y prendre.

L'antimatièreantimatière a été une prédiction surprenante du grand théoricien de la mécanique quantiquemécanique quantique Paul DiracPaul Dirac en 1928. Cherchant une généralisation relativiste de l'équation de Schrödingeréquation de Schrödinger d'une particule comme l'électron, il fut conduit par des considérations presque de pure mathématique à la découverte de sa célèbre équation d'onde s'appliquant aux fermionsfermions. Cette formule possédait des solutions décrivant des particules d'énergie négative dont les principes de la mécanique quantique et de la relativité restreinterelativité restreinte imposaient la prise en compte. Elles devaient nécessairement avoir une signification physique et l'on ne pouvait pas les écarter comme on le faisait habituellement dans le cadre d'autres équations de la physique classique.

Pour s'en sortir, Dirac proposa que ces solutions à énergie négative étaient en fait des particules à énergie positive mais de charge opposée à celle de l'électron. Appliquant le rasoir d'Occam, et bien qu'il fut conscient que le proton et l'électron étaient deux particules de massesmasses différentes, il identifia le proton à la solution à énergie négative associé à un électron. Bien peu de physiciens prirent les idées de Dirac au sérieux, sauf Oppenheimer qui fut d'ailleurs l'un des premiers à comprendre qu'il devait exister de véritables antiparticules de même masse que celles que l'on connaissait.

Le positron, l'antiparticule de l'électron, ne différant de ce dernier que par une charge de signe opposée, fut finalement découvert dans les rayons cosmiquesrayons cosmiques par Carl Anderson en 1932. En 1936, il découvrit une autre particule dans le rayonnement cosmique avec son étudiant d'alors, Seth Neddermeyer. 207 fois plus massive que l'électron, cette particule fut identifiée à tort comme le mésonméson prédit par Yukawa quelques années avant. Ce dernier avait été proposé par le physicien japonais pour expliquer la force nucléaire forte liantliant protons et neutronsneutrons dans les noyaux, malgré la force de répulsion électrostatiqueélectrostatique entre les protons et le caractère neutre des neutrons. En fait, assez rapidement, certaines anomalies dans le comportement du nouveau méson découvert conduisirent les physiciens à rejeter cette hypothèse. Il fallut attendre les observations de Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini en 1947 pour que le pion de Yukawa soit vraiment découvert.

Seth Neddermeyer ne fit pas que découvrir avec Anderson le muon, il fut à l'origine du mécanisme d'implosion de la bombe atomique de Nagasaki. Crédit : Los Alamos National Laboratory

Les muons, catalyseurs de fusion froide décevants

La découverte du muon par Anderson et Neddermeyer rendit donc les physiciens assez perplexes. A quoi donc pouvait bien servir ce cousin de l'électron, plus lourd que lui mais qui semblait si proche d'un électron ? La confusion augmenta lorsque que l'on découvrit plus tard un autre cousin encore plus lourd, le tauon.

De nos jours, ces trois particules sont associées à des neutrinosneutrinos dans le cadre de la théorie électrofaiblethéorie électrofaible et on s'aperçoit maintenant qu'elles sont toutes nécessaires pour que certaines anomalies d'origine quantique dans la théorie des quarks n'apparaissent pas.

Les muons ont été proposés à la fin des années 1940 et au début des années 1950 comme catalyseurs de réactions de fusion froide à basse température par Andrei Sakharov, F.C. Frank, Ya. B. Zel'dovitch et Luis W. Alvarez. En remplacement des électrons dans des atomes d'hydrogène et surtout de deutérium et de tritiumtritium, ils permettent théoriquement de faciliter les réactions de fusionfusion. Malheureusement, les muons sont difficiles à produire et ne vivent qu'une fraction de seconde, sans parler de certaines difficultés pointées dès 1957 par J.D Jackson qui rendent au final le rendement des réactions de fusion avec muons peu intéressant.

Deux astuces pour créer du muonium

Il n'en reste pas moins que la question de la formation et de la stabilité d'une sorte d'atome d'hydrogène avec un muon positif jouant le rôle d'un proton, avec un électron autour, a été étudié. Originellement, c'est cet assemblage qui a reçu le nom de muonium mais, par analogieanalogie avec le positronium - un électron et un positron formant un état lié comme l'atome d'hydrogène -, il serait plus logique d'appelé muonium l'état lié d'un muon et d'un antimuon (avec une paire tauon-antitauon on aurait du tauonium).

Malheureusement, cet état n'a jamais été observé et personne n'avait d'idée sur la manière de s'y prendre, que ce soit pour en fabriquer ou en observer. Cela vient de changer suite à un article publié par Stanley J. Brodsky, du Department of Energy's SLACSLAC National Accelerator Laboratory, et son collègue Richard Lebed de l'Arizona State University.

Alors qu'ils étaient en train de discuter de la façon de créer en accélérateur des particules exotiquesexotiques à l'aide de collisionneurs électrons-positrons, les deux théoriciens se sont soudain rendu compte que dans les diagrammes de Feynmandiagrammes de Feynman qu'ils considéraient, la production du muonium émergeait naturellement. Deux processus ont ainsi été découverts dont l'un est représenté sur l'image d'artiste en bas de l'article.

La première idée est de faire entrer en collision avec un angle donné un faisceau de positrons avec un faisceau d'électrons. Parmi les réactions possibles, les deux particules se combinent en s'annihilant pour donner un photonphoton, lequel se transmute en une paire de muon et d'antimuon formant temporairement un état lié. Du fait du mouvementmouvement à vitessevitesse relativiste par rapport au laboratoire, le phénomène de dilatationdilatation du temps permettrait au muonium de rester stable suffisamment longtemps pour être observé dans les détecteurs.

Le second processus, plus rare, repose sur une collision frontale entre les deux faisceaux précédents et conduit à la formation d'un muonium et d'un photon émis transversalement. Selon les deux chercheurs, il est probable que dans des expériences comme celles du LEPLEP, ces processus se soient déjà produits mais n'ont pas été détectés car on ne s'attendait pas à leur apparition, qui de plus est fugace. La prochaine génération de collisionneur électrons-positrons devrait permettre d'étudier ces états prédits par l'électrodynamique quantique.

Qui peut savoir à quelles découvertes le muonium conduira ? Et s'il représentait une clé pour la fusion froide ?