Qu’est-ce qu’une particule virtuelle ?

La physique des particules contient un large catalogue d’objets au nombre desquels se trouvent les particules virtuelles. Différentes des particules ordinaires par leur durée de vie, ces particules revêtent cependant une grande importance puisqu’elles contribuent aux interactions fondamentales du Modèle Standard.

La notion de particule virtuelle émerge dans la description perturbative de la théorie quantique des champs (QFT), c’est-à-dire la théorie décrivant la dynamique des interactions fondamentales dans le Modèle Standard. En QFT, ces interactions sont décrites en termes d’échange de particules virtuelles. L’adjectif « virtuelle » désigne la courte durée de vie de ces particules, comparée aux particules ordinaires. Il est important de noter que les particules virtuelles ne sont pas moins « réelles » que les particules classiques ; les deux proviennent d’excitations de champs quantiques, mais, dans le cas des particules virtuelles, cette excitation est de plus courte durée.

Au sein des équations mathématiques, les deux types de particules sont indiscernables. Cependant, les particules virtuelles ne sont décrites qu’en termes de forces. Mathématiquement, elles ne constituent jamais des indices de la matrice de diffusion. C’est-à-dire qu’elles apparaissent bien dans les calculs, mais jamais comme des particules isolées et détectables. Contrairement aux particules ordinaires qui sont observables, les particules virtuelles ne le sont pas. Elles n’apparaissent ni en entrée ni en sortie des modélisations physiques.

La brève durée de vie des particules virtuelles est liée au principe d’indétermination d’Heisenberg. Le physicien allemand a démontré que certaines variables conjuguées, comme la position et l’impulsion, ne peuvent être connues simultanément avec une précision identique. C’est également le cas de l’énergie et du temps, pour lesquels la relation d’indétermination s’écrit :

ΔE · Δt ≥ ℏ/2 Cette relation décrit le lien entre l’énergie d’un processus physique et sa durée. Ainsi, plus la précision sur la durée est grande, plus l’incertitude sur l’énergie est grande, et vice versa. Sur un intervalle de temps très court, l’incertitude sur l’énergie devient :

ΔE ≥ ℏ/2t Si cette incertitude est assez importante, l’énergie peut être suffisante pour satisfaire la relation E = mc² traduisant l’équivalence masse-énergie. Une telle énergie peut alors correspondre à la création d’une particule à partir du vide quantique ; c’est ce que l’on appelle une « fluctuation quantique du vide ». Dans un tel cas, une particule apparaît temporairement puis disparaît. Afin de respecter la loi de conservation de la charge électrique, ces particules apparaissent généralement par paires de particule-antiparticule (électron-positron par exemple) puis s’annihilent.

Plus la masse d’une particule est élevée, plus sa durée de vie est courte. Pour un électron, cette dernière est de l’ordre de 6×10^-22 secondes. Pour les photons, la durée de vie est plus longue si l’énergie est faible. Des particules virtuelles apparaissent et disparaissent ainsi en permanence en raison des fluctuations quantiques du vide. En 1948, le physicien néerlandais Hendrik Casimir prédit que deux plaques parallèles conductrices non chargées doivent se rapprocher sous l’effet d’une force attractive dont l’origine serait les fluctuations du vide. Depuis, l’effet Casimir a été vérifié plusieurs fois expérimentalement.

La différence majeure entre une particule ordinaire et une particule virtuelle est que cette dernière n’existe que le temps d’une interaction ou d’une fluctuation du vide. Une particule ordinaire, comme le photon d’un rayonnement électromagnétique, peut traverser l’espace pendant plusieurs années sans disparaître. Même si les particules virtuelles n’ont pas nécessairement la même masse que leurs homologues ordinaires, elles possèdent toutefois les mêmes autres caractéristiques physiques : charge, spin, moment magnétique, etc. Donc si la particule n’existe que durant le processus auquel elle participe, elle est considérée comme virtuelle.

Les particules virtuelles occupent une place importante en théorie quantique des champs, car elles jouent le rôle de médiateurs des interactions fondamentales entre les fermions. Dans ce cas, elles sont appelées « bosons de jauge », car les interactions fondamentales obéissent à la symétrie de jauge décrite par le Modèle Standard. Ces bosons de jauge sont : le photon pour l’électromagnétisme, le gluon pour l’interaction nucléaire forte, les bosons W/Z pour l’interaction nucléaire faible, le méson pi pour l’interaction nucléon-nucléon dérivée de l’interaction forte et l’hypothétique graviton pour la gravitation.

Dans le Modèle Standard, les fermions (électrons, quarks, muons…) s’échangent donc des particules virtuelles sous forme de bosons médiateurs. Par exemple, dans l’interaction forte, les quarks s’échangent des gluons virtuels. Ainsi, les particules virtuelles sont impliquées dans la description d’un grand nombre d’interactions et de processus physiques : force de Coulomb, forces de van der Waals, émission spontanée, induction électromagnétique, polarisation du vide, décalage de Lamb, impédance caractéristique du vide, etc.

En dehors des équations mathématiques, les particules virtuelles sont modélisées grâce aux diagrammes de Feynman, qui offrent une représentation plus aisée et intuitive des interactions, mêlant particules ordinaires et virtuelles. Dans ces diagrammes, les premières sont représentées par des lignes continues tandis que les secondes par des lignes pointillées (ou en zig-zag).