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Observer le rayonnement fossile pour savoir si le photon est stable

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Si le photon possédait une masse, comme un neutron ou un boson W, cela ouvrirait la voie à des réactions de désintégrations. Il pourrait donc avoir un temps de vie et ne serait pas stable, tout comme certaines particules ou noyaux radioactifs. En utilisant les mesures effectuées sur le rayonnement fossile, ce temps de vie hypothétique a été estimé. Il serait très largement supérieur à l'âge de l'univers observable.

Le rayonnement fossile a un spectre de corps noir presque parfait, bien plus que celui du Soleil. Les observations de Planck l’ont très finement mesuré. L’étude de ce spectre peut fournir de nombreuses informations pour la physique, l'astrophysique et la cosmologie. © Esa

C'est le physicien et chimiste Gilbert Newton Lewis qui a proposé en 1926 d'appeler « photons » les quanta de lumière d'Albert Einstein. Les expériences de l'époque, comme le fameux effet Compton, montraient que les grains de lumière se comportaient à bien des égards comme des électrons, avec une quantité de mouvement propre par exemple, mais sans masse ni charge.

Toutefois, personne à cette époque, pas plus qu'aujourd'hui, ne pouvait exclure que les photons aient une masse propre non nulle, comme un proton ou un électron, mais si faible qu'elle en deviendrait très difficile, voire impossible, à mesurer. On pouvait seulement poser des bornes sur la valeur de sa masse, tirées de l'étude de certains phénomènes. Cela n'empêchait pas dans la discussion de certaines expériences, comme celle de la boîte à photon d'Einstein, d'introduire une notion de masse non nulle en raison de la fameuse équivalence masse-énergie impliquée par la relativité restreinte.

Dès les années 1930, le physicien roumain Alexandru Proca, qui avait passé sa thèse sous la direction du prix Nobel de physique Louis de Broglie, proposait une équation décrivant un champ électromagnétique avec un terme de masse. En appliquant les règles de quantification du champ électromagnétique standard de l'époque, il en découlait que le photon pouvait avoir une masse. Les développements ultérieurs de la théorie quantique des champs allaient rendre l'attribution d'une masse au photon problématique à plus d'un titre.

Le physicien et prix Nobel français Louis de Broglie. Dans les années 1950, il a développé une théorie de la lumière selon laquelle le photon aurait une très faible masse propre. © Wikipédia, DP

Divers mécanismes pour une masse du photon

Certains théoriciens ont malgré tout continué de développer des théories avec des photons massifs. Ainsi, dans les années 1950, Louis de Broglie a bâti toute une théorie dans laquelle les photons étaient en fait des sortes de particules composites, résultant de l'association des champs de deux fermions de Dirac massifs analogues aux électrons. Ces fermions possédant chacun un spin ½ la somme, dans la théorie de fusion des spins de Louis de Broglie, pouvait faire un spin 1 : précisément celui du photon.

De nos jours, on sait qu'il existe des champs de forces analogues au champ électromagnétique. Ce sont les fameux champs de jauge du modèle standard décrits par des équations de Yang-Mills. Les champs du modèle électrofaible sont précisément de ce type. Ils décrivent des sortes de photons massifs, les bosons W et Z. Les difficultés liées à l'attribution de masses à ces particules sont résolues par l'introduction du champ de Higgs et du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Les masses de ces « photons » limitent leur propagation à longues distances. Instables, ils peuvent aussi se désintégrer en particules plus légères.

Pour toutes ces raisons, entre autres, on considère que la question de la masse du photon ne sera probablement résolue que par l'expérience. Julian Heeck du Max Planck Institute for Nuclear Physics à Heidelberg a récemment eu une idée intéressante pour renouveler la problématique de la masse du photon, en la reliant à l'hypothèse qu'il pouvait être instable lui aussi et se désintégrer en particules moins massives. Il développe sa théorie dans un article déposé sur arxiv.

Les observations de Cobe au début des années 1990 avaient montré que le rayonnement fossile possédait un spectre de corps noir presque parfait. La dernière des images ci-dessus montre, en fausses couleurs, d'infimes fluctuations de températures modifiant très légèrement un spectre de corps noir parfait. Ces fluctuations sont une mine d'informations pour la physique et la cosmologie. © Nasa

Un temps de vie au moins 100 millions de fois supérieur à l'âge de l'univers

Comme bien d'autres physiciens avant lui, tels Schrödinger et Ginzburb, Heeck s'est tourné vers des observations dans le domaine de l'astrophysique, plus exactement de la cosmologie, pour obtenir une indication sur l'existence de la masse du photon, plus exactement pour estimer un hypothétique temps de vie s'il se désintègre. En l'occurrence, il s'agit d'utiliser le caractère de corps noir du rayonnement fossile. On sait que le spectre de celui-ci est presque parfait et qu'il a été mesuré avec une précision record pour une émission de corps noir dans la nature, par les instruments de Planck.

Heeck s'est contenté d'utiliser les mesures de Cobe, le prédécesseur de WMAP au début des années 1990. Si le photon avait une masse et pouvait se désintégrer alors, en fonction de son temps de vie, cela laisserait des traces sous forme d'altérations du spectre de corps noir du rayonnement fossile, puisque la densité de photon pour une longueur d'onde donnée doit décroître au cours du temps.

En combinant les limites sur l'exactitude de la forme de ce spectre données par Cobe et celles sur la masse du photon issues d'autres expériences (10-18 eV ou encore 10-54 kg) le physicien est arrivé à un temps de vie pour les photons de l'ordre de 1018 au moins, soit environ un milliard de milliard d'années.

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