MASSE (notions de base)

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La masse des particules élémentaires

La théorie moderne de l'électromagnétisme rend bien compte de la masse nulle du photon, caractéristique liée à la nature du principe de symétrie (dite de jauge) à l'origine de l'électrodynamique quantique. La limite expérimentale sur sa masse est de 7 × 10—17 eV.

Il est très difficile de mesurer les masses des trois types de neutrinos existants ; les expériences indiquent que ces masses sont respectivement inférieures à 15 eV, 17 000 eV et 24 000 eV, mais il est très difficile de chiffrer les incertitudes des différentes méthodes d'extraction. L'observation d'oscillations entre les différents types de neutrinos suggère que le neutrino tau aurait une masse de l'ordre de 0,05 eV. En raison du très grand nombre de neutrinos présents dans l'Univers, leur masse pourrait jouer un rôle décisif dans la masse totale et donc dans le destin de l'Univers ; il suffirait que cette masse soit un dix millième de celle de l'électron pour que la masse critique soit atteinte.

Quarks et gluons sont les constituants élémentaires de la matière nucléaire. Si les gluons semblent avoir – comme les photons, avec qui ils partagent nombre de caractéristiques – une masse nulle, le concept de masse des quarks s'est révélé plus subtil. La caractéristique de ces différentes particules (on en compte de six saveurs : u, d, s, c, b et t, chacune pouvant se trouver dans un état d'une des trois couleurs possibles, notées bleu, rouge, vert) est qu'elles restent confinées dans des états tels que le proton ; il n'est donc pas question de mesurer leur masse comme l'on mesure celle des électrons ou des neutrons, ni de parler d'une énergie « au repos ». De plus, les théories quantiques imposent une étonnante propriété à la valeur d'une masse : elle dépend du pouvoir de résolution du processus étudié. Ce phénomène – appelé renormalisation – affecte aussi bien les charges que les masses de toutes les particules ; il a été expérimentalement confirmé dans le cas de la charge des électrons, par exemple, et on s'en accommode assez facilement lorsqu'on peut concevoir un processus regardant d'assez loin l'objet : on appelle alors charge – ou masse –, la charge – ou la masse – vue de l'infini, ce qui permet de garder la valeur classique de la masse de l'électron (connue avec une grande précision comme égale à 510,999 1 eV). Il n'en va pas de même pour des objets tels que les quarks, qu'on ne peut isoler, et donc pour lesquels on ne peut concevoir de mesure indépendante du pouvoir de résolution d'un processus microscopique. Si cette difficulté semble inévitable dans son principe, elle n'empêche pas de déterminer des valeurs approchées raisonnables aux masses des quarks, et l'on considère actuellement que les quarks u, d, s, c, b et t ont des masses respectives de 5,10, 150, 1 300, 4 300 et 179 000 MeV, mais l'incertitude attachée à ces estimations va de près de 100 p. 100 pour les plus légers à moins de 10 p. 100 pour les plus lourds. La masse des objets composites est en revanche mesurable avec une très bonne précision (m = 938,272 MeV pour le proton, m = 939,565 MeV pour le neutron).

L'observation des bosons W et Z, médiateurs de l'interaction électrofaible, a amené à considérer sérieusement l'hypothèse que leur masse (et peut-être toutes les masses des particules) soit le fruit d'un phénomène particulier, inventé en 1963 par le physicien écossais Peter Higgs et connu depuis sous le nom de « mécanisme de Higgs » ; ce mécanisme de brisure spontanée d'une symétrie interne est l'équivalent quantique d'un phénomène fréquemment observé : une condition initiale particulière permet à la nature de choisir parmi diverses configurations symétriques ; ainsi une bille placée au sommet d'un chapeau mexicain tombe-t-elle selon une direction déterminée par les conditions initiales, malgré la symétrie de rotation de ce chapeau. Higgs proposa l'existence partout dans le « vide » d'un champ quantique nouveau dont l'orientation dans un espace abstrait impose une direction privilégiée parmi toutes les directions équivalentes. L'effet principal de ce mécanisme serait d'engendrer une masse pour les bosons W et Z, un peu comme si la présence dans le vide de ce champ de Higgs créait une inertie contraignant le mouvement de ces particules.

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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « MASSE (notions de base) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/masse/