Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
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particules élémentaires (suite)

Une question d’une importance fondamentale pour la théorie de l’électrodynamique quantique, dont les prédictions sont vérifiées jusqu’à la sixième décimale et au-delà, est l’hypothèse que le photon a une masse au repos exactement nulle, car il se déplace exactement à la vitesse de la lumière c dans le vide. Ce fait est vérifié expérimentalement par des méthodes très variées. Ainsi, on peut donner les limites supérieures suivantes à la masse du photon :
— 10–10 eV d’après les mesures de c à différentes fréquences ;
— 6.10–12 eV d’après les mesures de dispersion dans les signaux des pulsars ;
— 10–14 eV d’après les vérifications en laboratoire de la loi de Coulomb ;
— 3.10–15 eV d’après les limites d’observation par satellite d’un champ magnétique constant « extérieur » à la surface du globe ;
— 10–16 eV, soit 10–49 g, d’après une expérience sur des circuits de basse fréquence résonnants en parallèle.

Les limites supérieures des masses des neutrinos sont plus modestement de 60 eV pour le neutrino électronique et de 1,6 eV pour le neutrino muonique.


Principaux nombres quantiques

Le spin a déjà été évoqué plus haut. Le moment angulaire propre de la particule est donné par sℏ, s, nombre quantique de spin, étant entier ou demi-entier. Si l’on considère un grand nombre de particules de même nature, rassemblées dans une cible ou groupées dans un faisceau, leurs propriétés de spin apparaîtront plus ou moins suivant que les orientations des spins seront toutes parallèles et de même sens — on dit alors que la polarisation est totale — ou distribuées au hasard — il n’y a pas de polarisation — ou enfin partiellement orientées — on définit alors un pourcentage de polarisation.

Le cas particulier d’une masse au repos strictement nulle conduit à la définition de l’hélicité ; car il est alors possible que, pour une particule de spin 1/2, seule une des deux composantes + 1/2 et – 1/2 du spin sur l’impulsion de la particule soit présente. Dans le cas du neutrino, précisément et en accord avec la théorie dite « du neutrino à deux composantes », la projection du spin est opposée à l’impulsion : le neutrino a une hélicité gauche ; au contraire, l’antineutrino a une hélicité droite : la projection de son spin est dans le sens de l’impulsion.

La parité, qui caractérise la symétrie de la particule par rapport au renversement des axes de coordonnées d’espace, est notée par le signe + ou –, traduisant la transformation de la fonction d’onde ψ en + ψ ou – ψ sous l’action de l’opérateur parité (ses valeurs propres sont + 1, correspondant à la parité paire, et – 1, correspondant à la parité impaire). Si le spin d’une particule est J, on note symboliquement cette particule par JP, P étant le signe + ou –. Les bosons de spin zéro et de parité paire sont des bosons scalaires ; ceux de parité impaire sont pseudo-scalaires, tels les mésons π et K : 0. Les bosons de spin 1 sont représentés par des vecteurs ; leur parité est paire si ces vecteurs sont axiaux et impaire s’ils sont polaires, tel le méson ρ : 1. Pour les fermions, on pose par hypothèse que le proton, le neutron, le baryon Λ ont des parités paires ; ils sont La parité d’un antifermion est opposée à celle du fermion correspondant : l’antiproton est Au contraire, la parité d’un antiboson et celle du boson correspondant sont identiques : les mésons K0 et sont tous deux 0.

On peut trouver la parité d’une particule se désintégrant par interaction forte en un système de plusieurs particules en appliquant à ce système la règle selon laquelle la parité d’un système à deux particules est le produit des parités intrinsèques des deux particules par la parité orbitale. Par exemple, le méson η se désintègre en π+ + π + π0 avec des moments orbitaux nuls entre les pions. Donc, le méson η est de parité impaire.

Les variables internes représentées par le groupe des symétries unitaires d’ordre 1 correspondent à des nombres quantiques additifs conservés dans toutes les interactions et changeant de signe dans l’opération C de la conjugaison de charge. Ce sont la charge électrique Q, le nombre baryonique B, les nombres leptoniques Le et Lμ distincts.

• La charge électrique Q. Elle est bien définie. Tous les essais de mise en évidence d’une différence entre la charge électrique du proton et la valeur absolue de celle de l’électron ont échoué. Mais l’absence de charge n’entraîne pas l’absence de toute interaction électromagnétique ; ainsi, le neutron interagit par son spin. D’ailleurs, le seul fait expérimental est la nullité du premier moment de la distribution de charge électrique de la particule, ce qui n’exclut pas une structure interne correspondant à une répartition de charges électriques. Les neutrinos sont, eux, totalement dépourvus d’interaction, électromagnétique.

• Le nombre baryonique B. Un fermion ayant B = 0 n’est pas susceptible d’interactions fortes : c’est le cas des leptons. Mais tous les bosons ont un nombre baryonique nul ; des mésons peuvent donc apparaître en nombre quelconque dans une réaction entre baryons, alors qu’un antibaryon ne peut se produire ou s’annihiler avec un baryon que simultanément.

• Les nombres leptoniques Le et Lμ distincts. Le fait qu’on n’observe pratiquement pas d’annihilation du muonium en deux rayons gamma démontre la nature différente du muon et de l’électron. Par convention, Le = + 1 pour l’électron et le neutrino électronique, Le = – 1 pour le positron et l’antineutrino électronique, Lμ = + 1 pour le muon négatif et le neutrino muonique (ou neutretto), Lμ = – 1 pour le muon positif et l’antineutrino muonique (ou antineutretto). On constate que les réactions

(décroissance du pion)

(interaction dans une chambre à bulles à hydrogène)
se produisent bien alors qu’on n’a jamais observé les réactions

De même, on observe les réactions

mais jamais les réactions

Ainsi se confirme la nécessité de distinguer les neutrinos et les neutrettos, et de considérer séparément l’invariance de Le et celle de Lμ, et pas seulement le nombre de charge leptonique L = Le + Lμ.