Des scientifiques ont créé quelque chose à partir de rien. Littéralement

L’illusion de l’espace vide

S’il n’y avait aucune planète, étoile, comète, astéroïde ou autre débris cosmique volant à travers l’espace, il ne resterait que le vide spatial, une étendue infinie de néant. Il semblerait logique de penser que l’espace est totalement vide en l’absence de matière, mais ce vide apparent cache une réalité bien différente.

Bienvenue dans le vide quantique, un environnement complexe. Ce qui ressemble à une absence totale de matière regorge en réalité de particules subatomiques étranges qui échappent à l’observation directe. Ces éléments sont connus sous le nom de particules virtuelles. Il ne s’agit pas de particules de matière réelles, mais plutôt de perturbations dans le vide provoquées par la présence d’autres particules.

Elles se matérialisent à partir de rien et s’avèrent si éphémères qu’elles disparaissent en de minuscules fractions de seconde. Comme il est impossible de les observer directement, la seule façon de détecter ces particules virtuelles repose sur leurs interactions avec d’autres particules. Ces interactions affectent des propriétés mesurables fondamentales, telles que la masse des particules et les forces échangées entre deux éléments. Ces particules virtuelles revêtent une grande importance pour les scientifiques, car elles offrent une fenêtre sur les forces fondamentales de l’univers : la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et l’électromagnétisme.

Heisenberg et la danse des particules virtuelles

Ces particules étranges n’en sont pas tout à fait, ce qui crée un paradoxe profondément enraciné dans la mécanique quantique. La relation d’incertitude temps-énergie, qui découle du célèbre principe d’incertitude de Werner Heisenberg, autorise des fluctuations d’énergie fugaces. Concrètement, cela signifie que des paires de particules et d’antiparticules peuvent brièvement apparaître à partir du vide avant de s’évanouir de nouveau.

Pour explorer ce phénomène, une équipe de recherche dirigée par le physicien Zhoudunming Tu a utilisé le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) situé au laboratoire national de Brookhaven, sur l’île de Long Island. Ces chercheurs ont découvert des preuves de l’existence de ces quarks et antiquarks virtuels, qui constituent les éléments fondamentaux des protons et des neutrons.

Pour parvenir à cette découverte, les scientifiques ont analysé les orientations du spin de ces particules. Cette observation minutieuse a révélé des signatures physiques qui correspondent de manière cohérente à une origine liée aux fluctuations du vide quantique.

Des collisions à la vitesse de la lumière

« Le vide est maintenant compris comme ayant une structure riche et complexe, caractérisée par des champs d’énergie fluctuants et un condensat de paires quark-antiquark virtuelles », a déclaré Zhoudunming Tu dans une étude récemment publiée dans la revue Nature. Le physicien précise que « les collisions proton-proton à haute énergie pourraient libérer des paires quark-antiquark virtuelles du vide qui ensuite… forment des hadrons. »

En utilisant le collisionneur RHIC, l’équipe de Tu a projeté des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière, libérant ainsi des quantités immenses d’énergie. Cette énergie colossale a été absorbée par les paires de quarks et d’antiquarks virtuels. Ces fluctuations éphémères, qui apparaissent et disparaissent normalement sans être détectées dans le vide, se sont alors transformées en particules réelles et détectables.

Les collisions ont produit spécifiquement des paires de quarks étranges et d’antiquarks étranges, qui partagent la même masse mais portent des charges électriques opposées. Chaque paire provenant d’une seule fluctuation du vide, le quark et l’antiquark ont émergé avec une intrication quantique. Leurs propriétés sont restées corrélées, quelle que soit la distance qui les séparait par la suite. L’équipe a confirmé cette intrication grâce au détecteur STAR (Solenoidal Tracker) du RHIC, montrant que les quarks et les antiquarks de chaque paire tournaient systématiquement dans la même direction, une signature révélatrice de leur origine commune au niveau quantique.

La courte vie des hypérons lambda

Les quarks sont des éléments notoirement instables qui ne peuvent pas survivre très longtemps par eux-mêmes. Pour contourner cette fragilité, ils s’assemblent avec d’autres particules afin de former des hypérons lambda. Ces derniers sont des particules subatomiques électriquement neutres composées de trois quarks, dont l’un doit impérativement être un quark étrange.

Le spin de ces hypérons est directement déterminé par le spin du quark étrange qu’ils contiennent. Les hypérons lambda sont également très instables et commencent à se désintégrer après seulement un dix-milliardième de seconde. Le point positif de cette désintégration ultra-rapide est qu’ils se décomposent en particules qui deviennent alors visibles pour le détecteur STAR.

La manière dont ces nouvelles particules tournent constitue un reflet direct du spin de l’hypéron lambda dont elles sont issues, et par conséquent du spin du quark étrange de cet hypéron. Dans l’expérience menée par Tu, les quarks et leurs antiquarks correspondants, issus du vide, ont continué à tourner parallèlement les uns aux autres, exactement comme ils le faisaient avant de former un hypéron.

L’origine mystérieuse de la masse

En retraçant le parcours des paires de quarks et d’antiquarks depuis leurs débuts en tant que particules virtuelles jusqu’à leur transition en particules réelles, il pourrait devenir possible de comprendre enfin d’où les protons tirent la majeure partie de leur masse. Les quarks sont si légers qu’ils ne représentent qu’un très petit pourcentage de ce total. Les chercheurs estiment que l’essentiel de la masse du proton est générée par des processus se déroulant à l’intérieur même du proton. De futures recherches intégrant les particules virtuelles pourraient finalement lever le voile sur ce mystère de la génération de la masse.

« [Nous avons trouvé un lien entre] les paires de quarks virtuelles à spin corrélé issues du [vide] et leurs homologues hadrons dans leur état final », a souligné Zhoudunming Tu dans la publication de Nature. Le chercheur ajoute que « nos résultats fournissent un nouveau modèle expérimental pour explorer la dynamique et l’interaction du confinement et de l’intrication des quarks. »

Ces récentes conclusions suggèrent que les blocs de construction les plus fondamentaux de notre univers pourraient bien devoir leur poids non pas aux particules elles-mêmes, mais au vide bouillonnant dont elles émergent. Il s’avère au final que le « rien » est peut-être la chose la plus importante qui soit.

Selon la source : popularmechanics.com