BULGARIE: Electrodynamique quantique

EDQ: dénigrée mais triomphante

'Comment diable gagner sa croûte avec une théorie pareille?' demandait Steven Weinberg. Mais rélectrodynamique quantique a prouvé sa robustesse et les chercheurs continuent d'en repousser les limites, comme Ta montré un atelier en Bulgarie. Cette remarque irrévérencieuse de Weinberg sur rélectrodynamique quan­

tique (prononcée en 1986 dans sa conférence du mémorial Dirac) n'est

que l'une d'entre tant d'autres prononcées par des lumières comme Dirac

qui suggérait que l'accord remarquable entre les calculs en EDQ et les

expériences n'était dû qu'à la chance, ou comme Feynman qui voyait dans

ces calculs des tours de passe-passe mathématiques (et suspectait que la

technique de renormalisation permettant d'aboutir à cet accord n'était pas

mathématiquement cohérente).

Malgré ces commentaires peu flatteurs, l 'EDQ a non seulement survécu

mais prospéré: après plus de 50 années d'existence, elle est devenue le

prototype auquel sont comparées toutes les autres théories des champs

quantiques et son statut de théorie la plus fructueuse jamais élaborée en

physique reste incontesté.

Pour certains physiciens des particules, ce succès même semble exclure

l'idée qu'il pourrait encore exister une frontière scientifique de l'EDQ. En fait,

trois au moins de ces frontières ont pu être aperçues à l'atelier qui s'est

tenu en juin à Sandansky, Bulgarie, sous le titre Tests aux limites de l'EDQ

et physique du vide'.

La première de ces frontières concerne des systèmes atomiques exo­

tiques tels que l'hélium antiprotonique métastable (atome d'hélium dans

lequel un antiproton se substitue à un électron), les ions lourds mono­

chargés comme l'uranium 91 + , le muonium (un état lié d'un muon et d'un

électron) et l'antihydrogène (un antiproton accompagné d'un positon en

orbite). Au delà d'un certain niveau de précision dans l'expérimentation,

tous ces systèmes hydrogénoïdes ou hélium-oïdes sont autant de bancs

d'essais pour l'un ou l'autre aspect de l'EDQ.

La seconde frontière est l'étude des conséquences de l'EDQ à l'échelle

macroscopique, avec des effets tel que la polarisation du vide (apparition

spontanée de particules transitoires) et l'énergie de l'état fondamental ( ' rha­

billage' d'une particule nue). C'est de là que proviennent la faible biréfrin­

gence acquise par le vide soumis à un champ magnétique (une conséquence

de la polarisation du vide) et la force de Casimir s'exerçant entre des objets

dans le vide du fait de la modification de l'énergie de l'état fondamental

quand des limites viennent restreindre le domaine de quantisation du vide (la

force de Casimir entre deux plaques parallèles est inversement proportion­

nelle à la quatrième puissance de leur écartement et s'élève à environ 2 x l 0 " 6

newton pour des plaques de 1 c m 2 distantes de 0,5 micromètre - l'équivalent

du poids d'un moustique sur l'une des plaques).

Enfin, il reste ce que l'on pourrait appeler la frontière poppérienne, au

delà de laquelle l'EDQ pourrait encore être réfutée. Dans ce dernier domaine

les chercheurs sont en quête du Saint-Graal: un quelconque effet qui serait

en désaccord avec les prédictions des tours de passe-passe à la Feynman.

Comme c'est parfois le cas en géographie, un peu de mystère et beau­

coup de discussions portent sur le lieu exact du commencement, de la fin

et des recouvrements des frontières de l 'EDQ. D'entre ces frontières la pre­

mière est peut-être la plus intéressante pour les physiciens des particules,

une grande partie des recherches ayant été effectuées au CERN et dans

d'autres laboratoires disposant d'accélérateurs. Ainsi, plusieurs des

exposés à Sandansky traitaient d'aspects expérimentaux et théoriques de

l'atome d'hélium antipro­

tonique, dont le spectre a été

étudié par l 'expérience

PS205 à l'anneau d'antipro­

tons de basse énergie LEAR

du CERN. Les progrès con­

stants en précision dans la

mesure des raies spectrales,

annoncés par H.A.Torii et E.

Widmann (Tokyo), ont permis

d'atteindre le domaine des

millionnièmes où il faut tenir

compte des effets du spin en

EDQ pour calculer les

fréquences de transition

attendues. D. Bakalov (Sofia) et V I . Korobov (Dubna) ont discuté ces cal­

culs. L'expérience ASACUSA au décélérateur d'antiprotons AD du CERN

(mai 1997, page 1) permettra d'affiner encore ces expériences. Ses pre­

miers résultats, attendus durant l'été 1999, devraient inciter les théoriciens

à effectuer des calculs d 'EDQ encore plus précis.

Avec l'AD on peut également envisager des expériences de spectroscopie

sur l'antihydrogène. Conformément aux principes des théories locales des

champs, l'EDQ ne prévoit pas de différence entre les atomes d'hydrogène et

d'antihydrogène, ce que la spectroscopie laser permet de vérifier de façon

extrêmement précise dans la comparaison de caractéristiques spectrales de

ces deux types d'atomes. G. Gabrielse (Harvard) a discuté de l'état d'a­

vancement d'ATRAR l'une des deux expériences sur l'antihydrogène à l'AD, il

a également annoncé les derniers résultats de son groupe sur la détermi­

nation toujours plus précise du rapport charge/masse de l'antiproton. Les

L e s organisateurs de l'atelier de

Sandansky, font une pause.

(Photo J. Reinhardt.)

C o u r r i e r C E R N Octobre 1998 25

BULGARIE: Electrodynamique quantique

mesures améliorées du moment magnétique du

muon (V. Hughes, Yale) et de la structure hyper-

fine de l'atome de muonium (K. Jungmann, Hei­

delberg) figuraient parmi les autres sujets

abordés. Le muonium, dépourvu de particules à

interaction forte, ne présente aucune des com­

plications dues à la charge du hadron et au fac­

teur de forme magnétique.

L e s f r o n t i è r e s

G. Guaraldo a décrit une prochaine expérience à

DAFNE, Frascati, visant à mesurer avec précision

les transitions entre des niveaux voisins de l'hy­

drogène et du deuterium kaonique (dans

lesquelles un kaon négatif remplace l'électron).

Dans la même veine, Detlev Gotta (Juel ich) a

rendu compte des études menées au LEAR et

au PSI en Suisse sur les structures fine et hyper-

fine des transitions entre niveaux voisins de l'hy­

drogène antiprotonique (le protonium, dans

lequel un antiproton remplace l'électron de l'hy­

drogène, donc différent de l 'antihydrogène) et

du deuterium antiprotonique, ainsi que des

expériences proposées au PSI pour déterminer

la constante de couplage pion-nucléon à 1%

près à l'aide d'études spectroscopiques de l'hy­

drogène pionique.

Franz Kottmann (ETH Zurich) a souligné que

la spectroscopie de l'hydrogène muonique sem­

ble maintenant réalisable et devrait fournir des

données essentielles sur les facteurs de forme

du proton; l'incertitude sur ces derniers limite

actuellement la précision des calculs de l'atome

d'hydrogène en EDQ.

E n f i n , ! Cowan (Livermore) et d'autres ora­

teurs ont discuté du régime supercrit ique de

l'EDQ. Ce régime devrait apparaître dans les noy­

aux dont le numéro atomique Z s'approche de

l'inverse de la constante de structure fine a ,

1/137. Dans ce cas Z a n'est plus un nombre

petit et de nouveaux phénomènes devraient

apparaître, comme la matérialisation du vide.

A l'évidence, pour créer de telles conditions,

on pensera aux atomes lourds débarrassés de

tous leurs électrons sauf un, mais ce critère peut

également être satisfait dans les expériences de

diffusion inélastique photon-photon à haute énergie, comme celles décrites

parA.C. Melissinos (SLAC).

Concernant la frontière macroscopique de l'EDQ, quelques exposés ont

décrit les méthodes adoptées à Florence et Padoue pour détecter et

mesurer la force de Casimir et à Légnare et au Laboratoire Fermi pour

observer la biréfringence du vide induite par un champ. Dans ces dernières

études, un faisceau lumineux l inéairement polarisé traversera un grand

dipôle du type familier aux physiciens des particules en tant qu'élément

des lignes de faisceaux à haute énergie, mais avec une cavité optique J o h n Eades, CERN.

La physique en Bulgarie Sandansky, une ville de villégiature du sud-ouest de la Bulgarie, est le lieu de naissance du gladiateur

Spartacus. A son époque, la ville s'appelait Médius, mais aujourd'hui elle a pris le nom d'une grande

personnalité de l'histoire Bulgare du début de ce siècle, Janne Sandansky.

D'aucuns pourraient penser que la Bulgarie est un lieu de réunion incongru pour une conférence de

physique. Cependant, comme a pu le constater la cinquantaine de participant&à l'atelier 'Tests aux

limites de l'EDQ et physique du vide', la physique bulgare est forte, saine et entre de bonnes mains,

malgré les conditions économiques difficiles. L'organisation irréprochable de Dimitre Bakalov, Carlo

Rizzo et du comité local est venue compléter le succès obtenu par le comité du programme qui est

parvenu à attirer en Bulgarie les chercheurs mondiaux les plus en vue dans le domaine de l'EDQ et à

faire en sorte que l'atelier reste dans les mémoires comme un événement parmi les réunions tenues ces

dernières années, tous pays confondus. Les actes de la conférence devraient paraître en octobre grâce

aux moyens rapides de production mis en place par les éditeurs bulgares.

La Bulgarie est un état membre de l'Institut Unifié de Recherche Nucléaire, Doubna, et au cours

d'une récente visite d'une délégation du CERN, le Directeur de la recherche du CERN, Lorenzo Foà, a

tenu une série d'entretiens avec divers membres du conseil des ministres bulgare en relation avec la

demande du pays de devenir le 20ème état membre du CERN.

Le plus grand des centres bulgares de recherche en physique est l'Institut de la recherche nucléaire

et de l'énergie nucléaire (IRNEN) de l'Académie des sciences bulgare: il compte environ 375 membres

dans son personnel scientifique. Ses activités comprennent la physique des hautes énergies (V.

Gentchev dirige un groupe bulgare dans l'expérience CMS au collisionneur LHC du CERN) et la physique

théorique. Dans le groupe de théorie, citons I.T. Todorov (auteur de contributions importantes à la

théorie quantique des champs, il a passé de longues périodes au MIT, à l'Institut d'études avancées de

Princeton et à Doubna), D. Stoyanov et D. Bakalov, le président du comité d'organisation à Sandansky.

Parmi les autres instituts importants, citons la faculté de physique de Sofia, qui elle aussi participe à

CMS, le groupe de théorie dirigé par M. Mateev et l'Université américaine de Bulgarie (située dans la

ville provinciale de Blagoevgrad) qui se concentre sur renseignement.

Toïchiro Kinoshita, de

Cornell, présente la

médaille SUN-AMCO

que lui a attribué

l'Union internationale

de physique pure et

appliquée à l'atelier

de Sandansky. La

médaille récompense

sa contribution à la

détermination précise

des constantes

fondamentales à

travers ses travaux en

EDQ. (Photo de

D. Bakalov.)

résonnante placée entre les pôles. Après un

grand nombre de traversées de la cavité, le fais­

ceau lumineux devrait acquérir une polarisation

elliptique mesurable. R. Pengo (Légnare) et F.

Nezrick (Laboratoire Fermi) ont décrit une méth­

ode pour la détecter grâce à sa modulation

induite par une rotation physique du dipôle à

champ constant ou par des oscillations de

fréquence extrêmement basse du champ mag­

nétique.

Pour défier l 'EDQ, les conditions de précision

à remplir sont stratosphériques. Alors qu 'en

chromodynamique quantique (la théorie des

champs de quarks et de gluons) l'accord entre

la théorie et l'expérience avoisine au mieux 1%,

les tests les plus poussés de l'EDQ demandent

quelques millièmes de milliardièmes. Une fron­

tière qui recule constamment grâce à l'amélioration de la précision des

mesures des raies spectrales dans des atomes simples tels que celui d'hy­

drogène. A cet égard,T.W. Hansen (Munich) a présenté les derniers résultats

expérimentaux sur la fréquence de transition 1S-2S de l'hydrogène, main­

tenant connue à quelques millièmes de milliardièmes près. Ces progrès

doivent être accompagnés par des techniques de physique théorique

améliorées, un autre sujet de débats vigoureux à Sandansky.

26 C o u r r i e r C E R N Octobre 1998

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