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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que la masse de la matière ?

Qu’est-ce que la masse de la matière ?

samedi 7 août 2021, par Robert Paris

Lire aussi :

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Qu’est-ce qu’un électron ?

Qu’est-ce que la masse de matière durable (dite inerte ou « réelle ») ?

« Le vide quantique

Intuitivement, le vide est « ce qui reste quand on a tout enlevé » : si on sait vraiment tout enlever, il ne reste que le néant. Plus précisément, pour un système donné, il faut éliminer toutes les formes d’énergie présentes sous forme de matière ou de rayonnement. On atteint ainsi l’état d’énergie le plus bas accessible pour ce système, ce qui sera désormais notre définition du vide. Est-ce là le néant ?

Absolument pas ! Tous les champs, toute la physique sont présents dans le vide et il suffit d’y apporter suffisamment d’énergie pour les voir apparaître et mettre en jeu toutes les particules connues. D’autre part, le vide bouillonne d’activité. Cette activité est de type quantique. Le vide énergétique du système correspond à une valeur moyenne qui n’est bien définie que sur un temps assez long. Mais si nous l’observons durant un temps très court son énergie nous semble fluctuer, d’autant plus que le temps d’observation est bref, en accord avec le principe d’incertitude d’Heisenberg.

Il est bon de se rappeler ici les ordres de grandeur en jeu. Un fermi (dix puissance moins treize centimètre) correspond à un temps d’environ trois fois dix puissance moins 24 seconde, et un tel intervalle donne la liberté de fluctuer du vide jusqu’à une énergie de l’ordre du GeV, ce qui suffit pour faire apparaître très fugitivement, par exemple, une paire muon-antimuon. Une paire de W peut exister pendant trois fois dix puissance moins 27 seconde. De telles particules à l’existence éphémère, faut d’énergie pour les produire réellement, s’appellent des particules virtuelles. (…) Un autre effet de cette propriété du vide quantique est que les constantes – masses, couplages – que nous avons introduites ne sont pas exactement constantes, mais sont des quantités qui évoluent avec le pouvoir de résolution correspondant à l’observation. Cela se comprend puisqu’un pouvoir de résolution accru, synonyme de temps accessible plus court et naturellement d’énergie plus haute, donne accès à des fluctuations plus conséquentes, impliquant des particules virtuelles de plus en plus lourdes et conduisant à une dérive graduelle des quantités mesurées. »

LA MASSE

La masse d’une particule

Pour une particule (électron, proton, neutron, etc.) la mesure de la masse est un peu compliquée. On n’a pas de balance : même si on était capables d’isoler une unique particule, son poids est trop petit pour être mesuré, et il vaut mieux utiliser d’autres interactions, particulièrement l’interaction électro-magnétique. Et puis de toute manière, nous ne sommes pas capables d’isoler une unique particule (ni en practique ni même en théorie, nous le verrons à la partie suivante) !

Alors en pratique la methode de base pour déterminer une masse est de tracer un histogramme comme celui à gauche. Un tel histogramme compte le nombre de particules détectées dans chaque tranche d’énergie (souvenez-vous : énergie et masse sont pareilles, cf Einstein). On cherche un pic dans le signal ; généralement la position en abscisse ce ce pic correspond à la masse d’une particule. Autrement dit : la majorité des particules crées dans un accélerateur de particules a une énergie voisine de la masse d’une des particules qui interviennent dans la collision.

La renormalisation

Mais en fait cela nous donne une masse effective, pas la masse d’une seule particule isolée et bien définie. Le problème majeur ici n’est pas de savoir ce qu’est la masse, mais qu’est-ce qu’une particule isolée. En effet chaque particule est toujours entourée d’un nuage de paires particule-antiparticule (par exemple électron-positron), qui sont sans cesse crées et annihilées par la particule étudiée. Et on ne peut pas séparer le nuage et la particule centrale, en fait le nuage fait partie de la particule physique. Le problème est que le concept de particule ponctuelle qu’on utilise dans nos théories n’est pas adapté à la réalité physique où les particules sont un champ qui s’étend librement dans tout l’espace. Les mathématiciens (toujours emmerdants ceux-là ^^) diraient que c’est parce qu’on ne sait pas utiliser les distributions (un outil mathématique) correctement. Pour résoudre ce problème on a un truc : une opération qu’on appelle renormalisation ; mais c’est une chose assez compliquée.

Au final le concept de la renormalisation est que la masse (effective) dépend de l’échelle à laquelle on regarde. Si on regarde une particule de loin cela semble être une unique particule, et la masse effective est proche de la masse réelle ; mais si on s’approche on voit que le nuage est composé d’un tas de paires particule-antiparticule, et il faut ajouter les énergies d’interaction pour avoir la masse effective. Mathématiquement on a l’impression que la masse change, mais en fait c’est l’inverse, c’est plutôt la notion de particule ponctuelle qui change : cela correspond à "ponctuelle plus ou moins une précision" (un cutoff UV en termes techniques), et c’est cette précision qui change selon le point de vue.

Le boson de Higgs

On sait maintenant plus ou moins qu’est-ce que la masse, il nous faut encore voir d’où elle vient. Le modèle un peu à la mode pour expliquer la masse des particules est le boson de Higgs, qui n’a encore pas été découvert, mais ça c’est le travail du LHC. Nous verrons que ce n’est en fait pas l’explication principale de la masse de l’univers, mais il explique la masse des particules les plus élémentaires.

Le principe est de considérer que l’univers est baigné dans un amas de particules d’un genre nouveau qu’on appelle bosons de Higgs. Toutes les autres particules auront une interaction avec ce fond de bosons de Higgs, donc une énergie d’interaction, donc une masse (cf. E=mc² toujours).

Pour expliquer pourquoi l’univers es baigné dans un tel amas de particules il y a le concept de brisure spontanée de symétrie (prix Nobel 2008) : si je suis au sommet d’une montagne je peux tomber d’un côté ou de l’autre, à la basa quand je suis en haut il y a une symétrie entre les deux côtés, mais une fois que j’ai chuté j’ai "choisi" un côté e brisé la symétrie. L’application au cas du boson de Higgs est qu’avec ce type de comportement on peut faire apparaître des particules uniquement "d’un côté de la montagne", ce qui fait qu’elles agissent dans le même sens, alors que s’il y avait tant de particules d’un côté que de l’autre, l’effet total de tous les bosons de Higgs serait nul.

La masse des protons et neutrons

Mais pour casser un peu l’excès d’importance que prend le boson de Higgs dans la communication scientifique d’aujourd’hui, il faut signaler qu’il n’explique pas de lui-même toute la masse du monde. Il est efficace pour expliquer la masse des bosons W et Z, qui est la raison majeure pour que l’interaction faible soit dite faible. Mais la majeure partie de la masse du monde (à part ces conneries d’énergie noire et de matière noire) est de loin dans les nucléons (protons e neutrons), pour plus de 99%. Et le Higgs seul n’explique pas l’existence de la masse du nucléon.

Le Higgs explique l’existence de la masse des quarks, mais la masse des quarks n’est qu’une toute petite partie de la masse du nucléon (moins de quelques pourcent). La plus grand partie vient de l’interaction nucléaire forte entre ces quarks. Le calcul de cette masse peut être fait sur des supercalculateurs, par ce qu’on appelle la chromodynamique quantique sur réseau.

La masse, elle aussi, est longtemps apparue comme additive. C’est ce que l’on constate à notre échelle. Par contre, à l’échelle de la matière atomique, il faut tenir compte des interactions qui ont, elles-mêmes, une masse. Dans l’atome, par exemple, il n’y a pas que le noyau et les électrons mais également l’énergie d’interaction qui les maintient ensemble. Il en va de même pour le noyau qui ne pourrait se maintenir stablement sans l’énergie qui maintient ensemble les nucléons. La masse ne s’avère d’ailleurs pas une propriété fixe d’une matière « solide », « compacte », « lourde ». C’est un phénomène. C’est une propriété et elle n’appartient pas en fixe à un objet individuel appelé la particule. La propriété peut migrer rapidement d’une particule virtuelle à une autre. Elle peut même disparaître dans un trou d’énergie négative ou par interaction avec l’antimatière.

Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" :

"C’est avec la masse que nos idées préconçues se trouvent peut-être le plus bousculées. Quoi de plus tangible que la masse ? N’est-ce pas a priori une propriété fondamentale d’un objet indépendante des circonstances ? Avec Lavoisier, la masse est une propriété indestructible, que l’on retrouve à travers tous les processus chimiques. Avec Einstein, c’est uen forme de l’énergie mais, dans la plupart des cas, la conservation de l’énergie entraîne la conservation de la masse. En physique des particules, la masse est une propriété intrinsèque de la particule, un invariant qui sert à la définir. La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale.

N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ?

La masse, cette propriété que l’on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l’addition des masses de ces constituants, une masse que l’on associait à chaque particule avant de considérer les forces auxquelles elles pouvaient être soumises, cette masse devient un effet dynamique des actions auxquels les constituants fondamentaux sont soumis Cette nouvelle dynamique qui se trouve à l’origine de la masse a pour conséquence la présence d’au moins une nouvelle particule fondamentale appelée "boson de Higgs". (...) La masse, on était tenté de la considérer comme une propriété fondamentale de chaque particule. La masse de l’atome, qui est à la base de toute masse macroscopique observée, est essentiellement celle de ses constituants et en particulier ceux du noyau. Mais la masse des nucléons n’a maintenant rien à voir avec celle des quarks qui le constituent. Elle résulte d’effets dynamiques à l’échelle du confinement qui apparaît au niveau du fermi.(...) La masse, cette propriété a priori robuste, que l’on attribue par instinct aux choses, se trouve apparaître comme un effet dynamique dont l’ampleur est avant tout attachée au nombre de types de gluons et de quarks ! (...) Si la masse initiale des quarks est due à leur interaction avec le champ de Higgs, leur masse globale est essentiellement due à cette enveloppe de gluons qui augmente leur inertie. (...)

Les particules hadroniques (baryons et mésons) apparaissent ainsi comme des petites bulles dans le vide. Elles comportent selon les acas trois quarks ou un quark et un antiquark. (...) La masse hadronique correspond à la masse que prennent ces quarks quand ils s’habillent de gluons à l’intérieur du hadron. Pratiquement, la totalité de cette masse effective est un effet dynamique. On peut aussi dire qu’elle correspond à l’énergie nécessaire pour créer la bulle que va constituer la particule dans un vide qui préférerait ne pas l’avoir et ne la tolère que parce qu’elle est globalement "neutre" vis-à-vis de la couleur. (...) Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide."

Pourquoi les particules ont une masse ? Le film

La masse est le facteur qui freine la possibilité de se déplacer d’une particule de matière. Un corpuscule "sans masse au repos" signifie que le corpuscule se déplace en ligne droite à la vitesse de la lumière c.

Comment comprendre cette opposition au déplacement qui d’une part limite le déplacement à c pour le corpuscule sans masse et limite bien davantage ces déplacements pour les particules de matière.

La réponse n’est pas dans le corpuscule mais dans son environnement dit vide. le vide est "plein" de particules et antiparticules virtuelles et celles-ci entourent le corpuscule. La propriété de durabilité de la particule de masse saute sans cesse d’une particule virtuelle du nuage de polarisation à une autre. ce sont ces sauts qui limitent la vitesse de propagation. La meilleur preuve est le cas où, pour une technique ou une autre, le nuage est écrasé ou réduit : alors, la limite de la vitesse n’est plus valable. par exemple, pour l’effet tunnel.

La masse provient donc des interactions entre la particule et son nuage virtuel.

« Pourquoi les particules ont-elles une masse ? » Exposé de Daniel Treille pour l’Université de tous les savoirs

« Historiquement la masse a été conçue comme une notion additive : dans le monde macroscopique on admet que la masse d’un corps est due à la somme des masses de ses constituants. C’est assurément vrai pour le corps humain, considéré comme la somme de ses atomes. Cela l’est encore, `a 10−8 près, pour l’atome, lourd essentiellement de son noyau.(…) Pour le proton par contre, c’est dramatiquement faux : la masse du proton et du neutron n’est pas du tout faite de la somme des masses de leurs constituants, qui sont quasi nulles pour les quarks haut et bas et nulle pour le gluon, mais plutôt de leur énergie. Au niveau des particules, la masse n’est absolument pas additive.

L’univers visible, fait de protons et de neutrons, ne doit donc sa masse qu’à la "danse" de ses constituants ultimes. »

La suite

1 Message

  • Qu’est-ce que la masse de la matière ? 9 août 10:51, par JFP/Jean-François POULIQUEN

    ▬Bonjour. Tester le vide quantique ne pose aucun problème, même dans un espace où le vide quantique est absent, ce qui est paradoxal, et qui est donc dépourvu de particules virtuelles et de fluctuation de ce vide quantique, et que j’appellerai le vide cosmologique. Pour ma part le vide cosmologique ne contient pas du vide quantique, il est encore autre chose que le vide quantique. Pour tester ce vide cosmologique, vous êtes bien obligé d’introduire des instruments dans ce vide cosmologique. Ces instruments sont fait de matière et donc d’atomes et de particules, mais cette matière que vous introduisez dans ce vide cosmologique, contient aussi son nuage de polarisation qui est ce vide quantique. La matière est toujours entourée de vide quantique, et les tests que vous ferez avec ces instrument seront des tests sur le vide quantique que vous avez vous même introduit, sans même le savoir, car ce vide quantique suit toujours la matière, comme si il était dépendant de cette matière. Vous testerez donc le vide quantique que vous introduisez vous-même sans le savoir, simplement en mettant des instruments de mesures dans un vide non quantique, et les tests réalisés seront sur le vide quantique que vous avez introduit par l’intermédiaire de vos instruments. On ne peut pas isoler ce vide quantique, car il suit toujours la matière, et le vide cosmologique veut dire aussi que la matière est non présente, et que le vide quantique est aussi absent, et revient au vide cosmologique. La conception de la matière ne peut pas se faire sans vide quantique, car ce vide est un peu le complément de la matière où se font des échanges entre matière et vide quantique. Mais le vide entre les étoiles, les galaxies, n’est pas du vide quantique, tout simplement parce que la matière est absente. La conception et notion de ce vide quantique, est forcément liée à la matière, et n’épouse pas le volume de l’univers, car ce vide quantique se trouve où la matière est présente....
    ▬DEUX VIDES !!!
    ▬Dans cette vision, il y a en réalité deux sortes de vides distincts, qui est le vide quantique suivant toujours la matière, et que l’on ne peut pas supprimer, et ne se trouve que où la matière se trouve, et un autre vide indépendant de ce vide quantique, qui est celui du vide cosmologique, que l’on peut dire un vide virtuel de virtuel, mais qui est sans rapport avec ce virtuel, ou encre un éther, ou simplement l’espace-temps de Einstein. Ce dernier vide rempli l’univers, et c’est lui qui actionne tout ce qui existe, ce qui veut dire que l’énergie ne vient pas des particules, ne vient pas non plus du vide quantique, car toutes énergies est distribuées par ce vide cosmologique, et la vision que nous avons du vide quantique et ses fluctuations et ces particules virtuelles de différents niveaux, sont actionnées par cet autre vide cosmologique. Au niveau de la matière, les particules sont animées par ce vide cosmologique et par le vide quantique qui est lui même animé par le vide cosmologique. Pour le redire, le vide quantique est lié à la matière, tandis que le vide cosmologique est indépendant et remplis tout l’univers. Ce vide cosmologique est inaccessible, mais nous avons accès à ce vide quantique qui est une interface entre le vide cosmologique et la matière. La plus grande différence entre ces deux vide est l’un le vide quantique est électrisé et ayant des charges plus ou moins, alors que le vide cosmologique ne possède pas de charge, mais sa fonction est de faire pression sur ce qui existe en tant que matière et sont nuage de polarisation est est le vide quantique.
    ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬
    ▬Des phrases retenues de l’article et des réflexions :
    ▬"La masse provient donc des interactions entre la particule et son nuage virtuel."
    ▬JFP : Cette petite phrase veut bien dire que la matière possède un nuage qui suit cette matière, comme les atomes et les particules, mais hors de ce nuage, le vide quantique disparaît et donne accès à un autre vide qui n’est pas quantique. Cette phrase pose quand même un problème, car les neutrinos qui ne sont pas des ondes vont à la vitesse lumière, et même si ils emportent leur nuage de particules virtuelles avec eux, on voit mal comment il pourrait y avoir des échanges avec ces particules virtuelles. Ces neutrinos possèdent la même vitesse que la lumière que sont les photons, et ils ont pourtant une masse qui ne peut pas être déterminée par les bosons de Higgs, car cela voudrait dire que ce Higgs va plus vite que c lumière.
    ▬"Une paire de W peut exister pendant trois fois dix à la puissance moins 27 seconde. De telles particules à l’existence éphémère, faute d’énergie pour les produire réellement, s’appellent des particules virtuelles. (...)"
    ▬JFP : Pour ma part ces particules virtuelles, sont une sorte de poudre électrisée avec des polarités différentes et opposées, et c’est ce vide cosmologique qui actionne des assemblages de cette poudre, comme détruit ces assemblages temporaires, et de plus quand certains assemblages existent temporairement, il y a échange entre des parties de particules réelles et ces assemblages. Bien sûr parler de poudre, de poussière, de résidus de particules, sont des mots totalement inhabituels dans le langage scientifique, et portant ce qui est flou autour de particule dont on parle de nuage de la matière ou des particules, est la même chose que les particules réelles, mais ces particules arrivent à un stade où elle ne peuvent plus grossir, il n’y a donc que des échanges possibles, entre parties de particules réelles et résidus du nuage, car le calibrage des particules, pour être ce qu’elles sont est un mystère de plus, tous les électrons ont la même masse, mais leur masse tremblote comme il est dit dans le texte.
    ▬"Un autre effet de cette propriété du vide quantique est que les constantes – masses, couplages – que nous avons introduites ne sont pas exactement constantes, mais sont des quantités qui évoluent avec le pouvoir de résolution correspondant à l’observation. Cela se comprend puisqu’un pouvoir de résolution accru, synonyme de temps accessible plus court et naturellement d’énergie plus haute, donne accès à des fluctuations plus conséquentes, impliquant des particules virtuelles de plus en plus lourdes et conduisant à une dérive graduelle des quantités mesurées."
    ▬JFP : Le temps de ces organisations des particules virtuelles est fonction de l’activité du vide cosmologique, qui possède aussi un temps, une fréquence, mais à une échelle encore inférieure à ce monde quantique.
    ▬"La masse est le facteur qui freine la possibilité de se déplacer d’une particule de matière. Un corpuscule "sans masse au repos" signifie que le corpuscule se déplace en ligne droite à la vitesse de la lumière c."
    ▬JFP : Est-ce que les neutrinos peuvent être considérés comme des particules de matière ? C’est un boson issu de réactions nucléaires, et qui provient bien de la matière. Pour ma part toute particule à forcément une masse, même le photon, mais nous ne pouvons pas accéder à ces petitesses de masse. Il y a sans doute un seuil de masse où les particules de tous genres ne peuvent plus aller à la vitesse lumière. Donc il y a sans doute un facteur qui freine la possibilité de se déplacer, mais il y a en plus un seuil de masse, où la vitesse lumière est permise.
    ▬"La masse provient donc des interactions entre la particule et son nuage virtuel."
    ▬JFP : Comment alors expliquer la masse des neutrinos, car même ces particules ont une masse très faible, et la masse de ces neutrinos ne peuvent pas venir des particules virtuelles, car ils se propagent à la vitesse lumière et il ne peut plus y avoir d’échange, car cela supposerai que les particules virtuelles vont plus vite que la vitesse lumière. A moins que la moitié du nuage dans la direction du neutrino peut encore échanger, mais échanger n’est même pas le bon terme, car une fois la particule virtuelle remplaçant une partie du neutrino, cette partie du neutrino ne pourra plus être dans cette demies sphère et devant le neutrino dans sa direction de propagation, car la partie perdue et remplacée serra dans l’autre demie sphère, ce qui l’opposé de la direction du neutrino.
    ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬
    ▬La conclusion :
    ▬En fait la masse, on ne sait pas trop ce que sait, car pour certaines particules elle est attribuée par ce boson de Higgs, et pour d’autres particules, ce bosons ne sert à rien. Mais la physique des particules suit son modèle en disant que les particules n’ont pas de masse intrinsèque, mais cette masse dépend d’autre chose. Le modèle de la physique des particules, suit son modèle, mais est-il vrai ? D’ailleurs quelle masse à ce boson de Higgs ?
    Amicalement ;
    JFP/Jean-François Pouliquen.

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