L’électrodynamique quantique testée dans des champs électriques élevés

En créant des atomes spéciaux, des physiciens ont testé ce qui se passe pour l’électrodynamique quantique (QED) – une théorie quantique décrivant l’interaction des particules chargées avec les champs électromagnétiques – lorsque le champ électrique est augmenté. Cette démonstration ouvre la possibilité d’utiliser ces atomes exotiques pour réaliser d’autres expériences à des champs élevés.

La QED est une théorie très réussie qui combine deux piliers de la physique moderne – la relativité restreinte et la physique quantique. Équivalent quantique de l’électromagnétisme classique formulé par James Maxwell, la QED a été développée par certains des plus grands esprits de la physique du 20ème siècle, dont Richard Feynman, Julian Swinger et Shinichiro Tominaga.

Jusqu’à présent, elle a passé tous les tests avec brio au cours des 70 dernières années. Cependant, la plupart des expériences ont été réalisées à des champs électriques faibles.

Vers de nouveaux tests en champs élevés

Les physiciens sont désireux de découvrir si le bilan sans tache de la QED s’étend aux champs élevés, d’autant plus que les calculs théoriques deviennent beaucoup plus difficiles à réaliser dans cette région.

« La QED n’a pas été bien vérifiée du tout dans le régime de champ élevé des rayons X », note Toshiyuki Azuma du Laboratoire de Physique Atomique, Moléculaire et Optique de RIKEN. Mais comme ces champs élevés vont au-delà de ceux qui existent dans les atomes normaux, de telles mesures ont été difficiles à réaliser.

Des atomes de néon spéciaux pour tester la QED

Maintenant, pour tester la QED dans le régime de champ élevé, Azuma et ses collègues ont effectué des mesures de haute précision sur des atomes de néon spéciaux, qu’ils ont créés en utilisant les installations du Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC).

Pour créer les atomes, l’équipe a dénudé tous leurs électrons en ajoutant un muon – une particule subatomique qui a la même charge négative qu’un électron, mais qui est environ 207 fois plus lourde. Cette masse plus grande signifie que le muon réside beaucoup plus près du noyau de l’atome et subit donc un champ électrique beaucoup plus grand de la part des protons dans le noyau.

Les mesures des rayons X émis par ces atomes concordaient bien avec les valeurs prédites par la QED.

En synthèse

Alors que la QED vit pour voir un autre test, la véritable valeur des expériences était leur démonstration de l’utilité des atomes muoniques pour sonder la QED à champ élevé. Les mesures et l’analyse subséquente étaient exigeantes.

« Deux choses nous ont permis de réussir cette mesure », commente Toshiyuki Azuma. « L’une est que nous avions des détecteurs très sensibles et l’autre est que nous avions accès à des faisceaux de muons de faible énergie très intenses qui ne sont disponibles qu’au Japon en ce moment. »

Il note que les détecteurs ont été initialement développés pour un satellite à rayons X pour des observations astronomiques. « Il a également été assez difficile d’analyser les résultats », ajoute t-il. « Nous avons eu besoin de plus de deux ans. »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’électrodynamique quantique (QED) ?

L’électrodynamique quantique (QED) est une théorie quantique qui décrit l’interaction des particules chargées avec les champs électromagnétiques. Elle combine deux piliers de la physique moderne – la relativité restreinte et la physique quantique.

Qui sont les principaux contributeurs à la QED ?

La QED a été développée par certains des plus grands esprits de la physique du 20ème siècle, dont Richard Feynman, Julian Swinger et Shinichiro Tominaga.

Qu’est-ce qu’un atome muonique ?

Un atome muonique est un atome dans lequel un ou plusieurs électrons ont été remplacés par des muons, des particules subatomiques qui ont la même charge négative qu’un électron, mais qui sont environ 207 fois plus lourdes.

Pourquoi les atomes muoniques sont-ils importants pour tester la QED ?

La masse plus grande du muon signifie qu’il réside beaucoup plus près du noyau de l’atome et subit donc un champ électrique beaucoup plus grand de la part des protons dans le noyau. Cela permet de tester la QED dans des champs électriques élevés.

Quels sont les défis de ces expériences ?

Les mesures et l’analyse subséquente étaient exigeantes. Il a fallu plus de deux ans pour analyser les résultats, et l’équipe a dû utiliser des détecteurs très sensibles et des faisceaux de muons de faible énergie très intenses.

Légende illustration principale : Toshiyuki Azuma (veste verte, troisième à partir de l’avant à droite) et son équipe dans le laboratoire où ils ont testé l’électrodynamique quantique (QED) dans le régime de champ élevé en utilisant des atomes muoniques de néon. © 2023 RIKEN

Source : RIKEN Atomic, Molecular and Optical Physics Laboratory