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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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