Particule virtuelle

En physique, une particule virtuelle est une fluctuation quantique transitoire, dont les caractéristiques sont proches de celles d'une particule ordinaire, mais qui existe pendant un temps limité du fait du principe d'incertitude. Le concept de particule virtuelle vient de la théorie des perturbations de la théorie quantique des champs dans laquelle les interactions entre particules ordinaires sont décrites en termes d'échanges de particules virtuelles[1].

Description

Échange d'une particule entre p1 et p2.

Selon l'équation d'équivalence masse-énergie d'Einstein dans sa version relativiste, l'énergie d'une particule est reliée à sa quantité de mouvement par : . Dans l'exemple ci-contre, deux particules de même masse en échangent une troisième qui viole la relation d'Einstein. En effet, selon les lois de conservation dans le référentiel du centre de masse, on a et ce qui entraîne . La relation d'équivalence entraîne et  : cette particule d'échange ne pourrait se déplacer et viole donc la conservation de l'énergie. Elle est dans un état dit virtuel. Cela reste possible tant que la relation d'incertitude de Heisenberg est respectée pendant le temps de l'interaction[2] :

.

Lorsque les scientifiques ont tenté de trouver une formulation relativiste de l'équation de Schrödinger, des difficultés sont rapidement apparues. Ainsi l'équation de Dirac autorise pour les électrons autour d'un atome, aussi bien des états d'énergie négative que positive. Cela est une conséquence du fait que l'équation de Dirac respecte la relation relativiste où le signe de l'énergie n'est pas défini.

L'énergie négative pourrait sembler artefact théorique. En relativité classique, ces états sont découplés des états d'énergie positive et sont ignorés. Ici, les états d'énergie positive et négative sont couplés. Pour un atome avec un électron ayant une énergie positive, le calcul montre qu'au cours du temps, il existe des états d'énergie négative.

Comme il est possible d'extraire une quantité arbitraire d'énergie d'un électron, les atomes ne sont plus stables. L'électron peut descendre sur des niveaux d'énergie de plus en plus négatif (après avoir passé ce seuil égal à est la masse de l'électron) en émettant indéfiniment des photons. Ce qui ne correspond pas à l'observation.

La solution de Dirac fut d'imaginer que tous les états d'énergie négative étaient occupés — mer de Dirac — et d'invoquer le principe d'exclusion de Pauli pour expliquer que les électrons « observables » ne tombent pas dans des états d'énergie négative. De plus, si on excite un électron de la mer de Dirac, cela laisse un trou qui se comporte comme un électron de charge positive, un positron. Ce fut la première prédiction de l'existence de l'antimatière.

Toutefois cette théorie ne fonctionne que pour les fermions. Une autre approche consiste à rechercher une formulation de la théorie autorisant un nombre variable de particules (ce qui est d'ailleurs naturel dans un contexte relativiste) et à réinterpréter les états d'énergie négative comme des états d'énergie positive de particules d'antimatière (voir Théorie quantique des champs).

Interaction de deux électrons par l'échange d'un photon virtuel.

Cette approche conduit à décrire l'interaction des particules comme résultant de l'échange de particules virtuelles sous forme d'un diagramme de Feynman. Un processus d'interaction donné s'obtenant par la « somme » de tous les diagrammes autorisés par les lois de conservation.

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