Habituellement, les ondes légères peuvent se passer les unes contre les autres sans aucune résistance. Selon les lois de l'électrodynamique, deux faisceaux lumineux peuvent exister au même endroit sans s'influencer; Ils se chevauchent simplement. Les batailles légères de sabre, comme on le voit dans les films de science-fiction, serait donc plutôt ennuyeuse en réalité.
Néanmoins, la physique quantique prédit l'effet de la «diffusion de la lumière sur la lumière». Les lasers ordinaires ne sont pas assez puissants pour le détecter, mais il a été observé à l'accélérateur de particule du Cern. Les particules virtuelles peuvent littéralement émerger de rien pendant une courte période, interagir avec les photons et changer leur direction. L'effet est extrêmement faible, mais il doit être compris précisément afin de vérifier les théories de la physique des particules par le biais d'expériences actuelles de haute précision sur les muons.
Une équipe de Tu Wien (Vienne) a maintenant pu montrer qu'un aspect précédemment sous-estimé joue un rôle important dans ce domaine: la contribution des soi-disant mésons tensor. Les nouveaux résultats ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique.
Particules virtuelles de rien
Lorsque les photons interagissent avec les photons, des particules virtuelles peuvent être créées. Ils ne peuvent pas être mesurés directement, car ils disparaissent immédiatement. Dans un sens, ils sont constamment là et non là en même temps – la physique du Quantum permet de telles superpositions d'États qui s'excluaient mutuellement selon notre compréhension quotidienne classique.
« Même si ces particules virtuelles ne peuvent pas être observées directement, elles ont un effet mesurable sur d'autres particules », explique Jonas Mager de l'Institut de physique théorique de Tu Wien, auteur principal de l'étude. « Si vous voulez calculer précisément à quel point les particules se comportent, vous devez prendre en compte toutes les particules virtuelles imaginables correctement. C'est ce qui rend cette tâche si difficile, mais aussi si intéressant. »
Lorsque la lumière se disperse la lumière, un photon peut se transformer, par exemple, en une paire d'électrons-positron. D'autres photons peuvent ensuite interagir avec ces deux particules avant que l'électron et le positron s'ancrésent mutuellement et ne deviennent un nouveau photon. Les choses deviennent plus compliquées lorsque des particules plus lourdes sont créées qui sont également soumises à de fortes forces nucléaires – par exemple, les mésons, qui consistent en un quark et un antiquark.
« Il existe différents types de ces mésons », explique Mager. « Nous avons maintenant pu montrer que l'un d'eux, les mésons du tenseur, a été considérablement sous-estimé. Grâce à l'effet de la diffusion de la lumière légère, ils influencent les propriétés magnétiques des muons, qui peuvent être utilisés pour tester le modèle standard de physique des particules avec une précision extrême. »
Les mésons tensor sont apparus dans des calculs antérieurs, mais avec des simplifications très rugueuses. Dans la nouvelle évaluation, non seulement leur contribution se révèle être beaucoup plus forte que celle précédemment, mais elle a également un signe différent de celui précédemment pensé, influençant ainsi les résultats dans la direction opposée.
Méthodes théoriques inhabituelles
Ce résultat résout également un écart qui est survenu l'année dernière entre les derniers calculs analytiques et les simulations informatiques alternatives. « Le problème est que les calculs analytiques conventionnels ne peuvent décrire les interactions fortes des quarks que dans les cas limitatifs », explique Anton Rebhan (Tu Wien).
L'équipe Tu Wien, en revanche, a utilisé une méthode non conventionnelle: la chromodynamique quantique holographique. Cela implique la cartographie des processus en quatre dimensions (c'est-à-dire trois dimensions spatiales et une dimension de temps) sur un espace à cinq dimensions avec gravité. Certains problèmes peuvent ensuite être résolus plus facilement dans cet autre espace, et les résultats sont ensuite transformés à nouveau.
« Les mésons tensor peuvent être cartographiés sur des gravitons à cinq dimensions, pour lesquels la théorie de la gravité d'Einstein fait des prédictions claires », explique Rebhan. « Nous avons désormais des simulations informatiques et des résultats analytiques qui s'assemblent bien mais s'écartent de certaines hypothèses précédentes. Nous espérons que cela fournira également un nouvel élan pour accélérer des expériences spécifiques déjà planifiées sur les mésons tensor. »
Le modèle standard mis à l'épreuve
Ces analyses sont importantes pour l'une des plus grandes questions en physique: quelle est la fiable du modèle standard de la physique des particules? Il s'agit de la théorie physique quantique généralement acceptée qui décrit tous les types de particules connus et toutes les forces de la nature, à l'exception de la gravité.
La précision du modèle standard peut être particulièrement étudiée dans quelques cas de test spéciaux, par exemple en mesurant le moment magnétique des muons. Depuis de nombreuses années, les scientifiques ont été perplexes quant à savoir si certaines écarts entre la théorie et l'expérience pointent vers la «nouvelle physique» au-delà du modèle standard, ou s'ils sont simplement des inexactitudes ou des erreurs.
L'écart dans le moment magnétique du muon est récemment devenu beaucoup plus petit, mais pour vraiment rechercher une nouvelle physique, les incertitudes théoriques restantes doivent également être comprises aussi précisément que possible. C'est exactement ce à quoi le nouveau travail contribue.
