Strict Standards: Only variables should be passed by reference in /homepages/36/d206324349/htdocs/site_org1G/config/ecran_securite.php on line 180
Qu’est-ce que la masse de la matière ? - Matière et Révolution
English German Espagnol Portugese Chinese Japanese Arab Rusian Italian Norvegian Dutch Hebrew Polish Turkish Hindi
Accueil du site > 02 - SCIENCES - SCIENCE > Atome : La rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à (...) > Qu’est-ce que la masse de la matière ?

Qu’est-ce que la masse de la matière ?

jeudi 9 février 2017, par Robert Paris

Lire aussi :

Qu’est-ce que le boson de Higgs ?

Qu’est-ce que le vide et qu’est-ce que la matière, que sont leurs interactions ?

Qu’est-ce qu’un électron ?

Qu’est-ce que la masse de matière durable (dite inerte ou « réelle ») ?

« Le vide quantique

Intuitivement, le vide est « ce qui reste quand on a tout enlevé » : si on sait vraiment tout enlever, il ne reste que le néant. Plus précisément, pour un système donné, il faut éliminer toutes les formes d’énergie présentes sous forme de matière ou de rayonnement. On atteint ainsi l’état d’énergie le plus bas accessible pour ce système, ce qui sera désormais notre définition du vide. Est-ce là le néant ?

Absolument pas ! Tous les champs, toute la physique sont présents dans le vide et il suffit d’y apporter suffisamment d’énergie pour les voir apparaître et mettre en jeu toutes les particules connues. D’autre part, le vide bouillonne d’activité. Cette activité est de type quantique. Le vide énergétique du système correspond à une valeur moyenne qui n’est bien définie que sur un temps assez long. Mais si nous l’observons durant un temps très court son énergie nous semble fluctuer, d’autant plus que le temps d’observation est bref, en accord avec le principe d’incertitude d’Heisenberg.

Il est bon de se rappeler ici les ordres de grandeur en jeu. Un fermi (dix puissance moins treize centimètre) correspond à un temps d’environ trois fois dix puissance moins 24 seconde, et un tel intervalle donne la liberté de fluctuer du vide jusqu’à une énergie de l’ordre du GeV, ce qui suffit pour faire apparaître très fugitivement, par exemple, une paire muon-antimuon. Une paire de W peut exister pendant trois fois dix puissance moins 27 seconde. De telles particules à l’existence éphémère, faut d’énergie pour les produire réellement, s’appellent des particules virtuelles. (…) Un autre effet de cette propriété du vide quantique est que les constantes – masses, couplages – que nous avons introduites ne sont pas exactement constantes, mais sont des quantités qui évoluent avec le pouvoir de résolution correspondant à l’observation. Cela se comprend puisqu’un pouvoir de résolution accru, synonyme de temps accessible plus court et naturellement d’énergie plus haute, donne accès à des fluctuations plus conséquentes, impliquant des particules virtuelles de plus en plus lourdes et conduisant à une dérive graduelle des quantités mesurées. »

LA MASSE

La masse d’une particule

Pour une particule (électron, proton, neutron, etc.) la mesure de la masse est un peu compliquée. On n’a pas de balance : même si on était capables d’isoler une unique particule, son poids est trop petit pour être mesuré, et il vaut mieux utiliser d’autres interactions, particulièrement l’interaction électro-magnétique. Et puis de toute manière, nous ne sommes pas capables d’isoler une unique particule (ni en practique ni même en théorie, nous le verrons à la partie suivante) !

Alors en pratique la methode de base pour déterminer une masse est de tracer un histogramme comme celui à gauche. Un tel histogramme compte le nombre de particules détectées dans chaque tranche d’énergie (souvenez-vous : énergie et masse sont pareilles, cf Einstein). On cherche un pic dans le signal ; généralement la position en abscisse ce ce pic correspond à la masse d’une particule. Autrement dit : la majorité des particules crées dans un accélerateur de particules a une énergie voisine de la masse d’une des particules qui interviennent dans la collision.

La renormalisation

Mais en fait cela nous donne une masse effective, pas la masse d’une seule particule isolée et bien définie. Le problème majeur ici n’est pas de savoir ce qu’est la masse, mais qu’est-ce qu’une particule isolée. En effet chaque particule est toujours entourée d’un nuage de paires particule-antiparticule (par exemple électron-positron), qui sont sans cesse crées et annihilées par la particule étudiée. Et on ne peut pas séparer le nuage et la particule centrale, en fait le nuage fait partie de la particule physique. Le problème est que le concept de particule ponctuelle qu’on utilise dans nos théories n’est pas adapté à la réalité physique où les particules sont un champ qui s’étend librement dans tout l’espace. Les mathématiciens (toujours emmerdants ceux-là ^^) diraient que c’est parce qu’on ne sait pas utiliser les distributions (un outil mathématique) correctement. Pour résoudre ce problème on a un truc : une opération qu’on appelle renormalisation ; mais c’est une chose assez compliquée.

Au final le concept de la renormalisation est que la masse (effective) dépend de l’échelle à laquelle on regarde. Si on regarde une particule de loin cela semble être une unique particule, et la masse effective est proche de la masse réelle ; mais si on s’approche on voit que le nuage est composé d’un tas de paires particule-antiparticule, et il faut ajouter les énergies d’interaction pour avoir la masse effective. Mathématiquement on a l’impression que la masse change, mais en fait c’est l’inverse, c’est plutôt la notion de particule ponctuelle qui change : cela correspond à "ponctuelle plus ou moins une précision" (un cutoff UV en termes techniques), et c’est cette précision qui change selon le point de vue.

Le boson de Higgs

On sait maintenant plus ou moins qu’est-ce que la masse, il nous faut encore voir d’où elle vient. Le modèle un peu à la mode pour expliquer la masse des particules est le boson de Higgs, qui n’a encore pas été découvert, mais ça c’est le travail du LHC. Nous verrons que ce n’est en fait pas l’explication principale de la masse de l’univers, mais il explique la masse des particules les plus élémentaires.

Le principe est de considérer que l’univers est baigné dans un amas de particules d’un genre nouveau qu’on appelle bosons de Higgs. Toutes les autres particules auront une interaction avec ce fond de bosons de Higgs, donc une énergie d’interaction, donc une masse (cf. E=mc² toujours).

Pour expliquer pourquoi l’univers es baigné dans un tel amas de particules il y a le concept de brisure spontanée de symétrie (prix Nobel 2008) : si je suis au sommet d’une montagne je peux tomber d’un côté ou de l’autre, à la basa quand je suis en haut il y a une symétrie entre les deux côtés, mais une fois que j’ai chuté j’ai "choisi" un côté e brisé la symétrie. L’application au cas du boson de Higgs est qu’avec ce type de comportement on peut faire apparaître des particules uniquement "d’un côté de la montagne", ce qui fait qu’elles agissent dans le même sens, alors que s’il y avait tant de particules d’un côté que de l’autre, l’effet total de tous les bosons de Higgs serait nul.

La masse des protons et neutrons

Mais pour casser un peu l’excès d’importance que prend le boson de Higgs dans la communication scientifique d’aujourd’hui, il faut signaler qu’il n’explique pas de lui-même toute la masse du monde. Il est efficace pour expliquer la masse des bosons W et Z, qui est la raison majeure pour que l’interaction faible soit dite faible. Mais la majeure partie de la masse du monde (à part ces conneries d’énergie noire et de matière noire) est de loin dans les nucléons (protons e neutrons), pour plus de 99%. Et le Higgs seul n’explique pas l’existence de la masse du nucléon.

Le Higgs explique l’existence de la masse des quarks, mais la masse des quarks n’est qu’une toute petite partie de la masse du nucléon (moins de quelques pourcent). La plus grand partie vient de l’interaction nucléaire forte entre ces quarks. Le calcul de cette masse peut être fait sur des supercalculateurs, par ce qu’on appelle la chromodynamique quantique sur réseau.

La masse, elle aussi, est longtemps apparue comme additive. C’est ce que l’on constate à notre échelle. Par contre, à l’échelle de la matière atomique, il faut tenir compte des interactions qui ont, elles-mêmes, une masse. Dans l’atome, par exemple, il n’y a pas que le noyau et les électrons mais également l’énergie d’interaction qui les maintient ensemble. Il en va de même pour le noyau qui ne pourrait se maintenir stablement sans l’énergie qui maintient ensemble les nucléons. La masse ne s’avère d’ailleurs pas une propriété fixe d’une matière « solide », « compacte », « lourde ». C’est un phénomène. C’est une propriété et elle n’appartient pas en fixe à un objet individuel appelé la particule. La propriété peut migrer rapidement d’une particule virtuelle à une autre. Elle peut même disparaître dans un trou d’énergie négative ou par interaction avec l’antimatière.

Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" :

"C’est avec la masse que nos idées préconçues se trouvent peut-être le plus bousculées. Quoi de plus tangible que la masse ? N’est-ce pas a priori une propriété fondamentale d’un objet indépendante des circonstances ? Avec Lavoisier, la masse est une propriété indestructible, que l’on retrouve à travers tous les processus chimiques. Avec Einstein, c’est uen forme de l’énergie mais, dans la plupart des cas, la conservation de l’énergie entraîne la conservation de la masse. En physique des particules, la masse est une propriété intrinsèque de la particule, un invariant qui sert à la définir. La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale.

N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ?

La masse, cette propriété que l’on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l’addition des masses de ces constituants, une masse que l’on associait à chaque particule avant de considérer les forces auxquelles elles pouvaient être soumises, cette masse devient un effet dynamique des actions auxquels les constituants fondamentaux sont soumis Cette nouvelle dynamique qui se trouve à l’origine de la masse a pour conséquence la présence d’au moins une nouvelle particule fondamentale appelée "boson de Higgs". (...) La masse, on était tenté de la considérer comme une propriété fondamentale de chaque particule. La masse de l’atome, qui est à la base de toute masse macroscopique observée, est essentiellement celle de ses constituants et en particulier ceux du noyau. Mais la masse des nucléons n’a maintenant rien à voir avec celle des quarks qui le constituent. Elle résulte d’effets dynamiques à l’échelle du confinement qui apparaît au niveau du fermi.(...) La masse, cette propriété a priori robuste, que l’on attribue par instinct aux choses, se trouve apparaître comme un effet dynamique dont l’ampleur est avant tout attachée au nombre de types de gluons et de quarks ! (...) Si la masse initiale des quarks est due à leur interaction avec le champ de Higgs, leur masse globale est essentiellement due à cette enveloppe de gluons qui augmente leur inertie. (...)

Les particules hadroniques (baryons et mésons) apparaissent ainsi comme des petites bulles dans le vide. Elles comportent selon les acas trois quarks ou un quark et un antiquark. (...) La masse hadronique correspond à la masse que prennent ces quarks quand ils s’habillent de gluons à l’intérieur du hadron. Pratiquement, la totalité de cette masse effective est un effet dynamique. On peut aussi dire qu’elle correspond à l’énergie nécessaire pour créer la bulle que va constituer la particule dans un vide qui préférerait ne pas l’avoir et ne la tolère que parce qu’elle est globalement "neutre" vis-à-vis de la couleur. (...) Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide."

Pourquoi les particules ont une masse ? Le film

La masse est le facteur qui freine la possibilité de se déplacer d’une particule de matière. Un corpuscule "sans masse au repos" signifie que le corpuscule se déplace en ligne droite à la vitesse de la lumière c.

Comment comprendre cette opposition au déplacement qui d’une part limite le déplacement à c pour le corpuscule sans masse et limite bien davantage ces déplacements pour les particules de matière.

La réponse n’est pas dans le corpuscule mais dans son environnement dit vide. le vide est "plein" de particules et antiparticules virtuelles et celles-ci entourent le corpuscule. La propriété de durabilité de la particule de masse saute sans cesse d’une particule virtuelle du nuage de polarisation à une autre. ce sont ces sauts qui limitent la vitesse de propagation. La meilleur preuve est le cas où, pour une technique ou une autre, le nuage est écrasé ou réduit : alors, la limite de la vitesse n’est plus valable. par exemple, pour l’effet tunnel.

La masse provient donc des interactions entre la particule et son nuage virtuel.

« Pourquoi les particules ont-elles une masse ? » Exposé de Daniel Treille pour l’Université de tous les savoirs

« Historiquement la masse a été conçue comme une notion additive : dans le monde macroscopique on admet que la masse d’un corps est due à la somme des masses de ses constituants. C’est assurément vrai pour le corps humain, considéré comme la somme de ses atomes. Cela l’est encore, `a 10−8 près, pour l’atome, lourd essentiellement de son noyau.(…) Pour le proton par contre, c’est dramatiquement faux : la masse du proton et du neutron n’est pas du tout faite de la somme des masses de leurs constituants, qui sont quasi nulles pour les quarks haut et bas et nulle pour le gluon, mais plutôt de leur énergie. Au niveau des particules, la masse n’est absolument pas additive.

L’univers visible, fait de protons et de neutrons, ne doit donc sa masse qu’à la "danse" de ses constituants ultimes. »

La suite

2 Messages de forum

  • Qu’est-ce que la masse de la matière ? 24 janvier 2019 20:21, par JFP/Jean-François POULIQUEN.

    Bonsoir.

    ___Je suis sur cet article que j’ai lu, car recommandé par l’article [Qu’est-ce que l’effet Casimir ?] ::
    http://www.matierevolution.org/spip...
    suivant différents dialogues et donné au [24 janvier 12:16, par Robert Paris] de ce même jour.

    ___Les deux articles sur la "masse" et il y en a peut-être d’autres ::
    http://www.matierevolution.org/spip...
    http://www.matierevolution.fr/spip....

    ___Une critique mineure est que les deux articles ne sont orientés que sur les masses des particules, d’autant que le dernier article publié de 2017 porte le nom de :: [Qu’est-ce que la masse de la matière ?] et on pourrait s’attendre à parler de masse au sens général pour tous types d’objets. Une autre remarque est qu’il manque des explications sur comment on mesure les masses des particules comme aussi celles des gros objets comme les étoiles, les galaxies, et même les galaxies très lointaines, car forcément les instruments de mesure changent, car les masses des particules est une chose, mais les masses des objets macroscopiques est encore autre chose, car les instruments et leurs données sont totalement différents. Si à notre échelle on sait monter sur une balance pour connaître notre poids, et même si ce poids n’est pas tout à fait la masse, et bien comment procède t-on pour mesurer les masses des particules, comme également mesurer les objets de très grandes masses. Un manque également sur les notions d’unités de masse, car la masse des particules n’est pas forcément synonyme de celle du kg comme celle des objets macroscopiques à grandes échelles, car on parle aussi d’électron-volt sans vraiment comprendre comment cela fonctionne dans ces correspondance en kg et électrons-volt. Donc une petite critique, car je ne sais pas moi-même comment on peut mesurer les masses de tous les objets. Il y a peut être d’autres articles concernant les mesures des masses, je n’en sais rien...

    ___Les phrases ::

    ●●[Et on ne peut pas séparer le nuage et la particule centrale, en fait le nuage fait partie de la particule physique]

    ___Ceci rejoint mon idée qu’une particule n’est pas un bloc, mais un ensemble de grains, surtout pour les particules élémentaires, donc une structure souple composée de grains et où le centre du nuage de grains formant le cœur de la particule où celui-ci est plus concentré en grains que le reste de la particule. Donc un nuage comme il est dit ne peut être séparé car c’est la particule où des grains sont dispersés formant ce nuage qui est en fait est une structure-champ éparse et dispersée, et où ses éléments éloignés ou non sont la particule dans son ensemble. La particule est pour ma part non un ensemble de points, mais un ensemble de grains qui est l’unité formant d’autres types de particules, et on peut même considérer que des grains libres ne faisant pas partie de la particule soient des micros-particules virtuelles du vide et faisant des échanges de grains entre la périphérie de la particule et les grains libres virtuels du vide quantique. Donc concept pouvant expliquer d’autres notions, sans que l’ensemble de la particule que sont ses grains disparaissent et réapparaissent, car les disparitions et réapparitions se font sur certains grains de la particule et non sur l’ensemble. Cette notion est totalement indépendante des caractéristiques réelles de la particule qui conserve ses attributs, mais une façon de mieux comprendre certains phénomènes non vraiment expliqués, car parler de nuage est assez flou en définition.

    ●●[Le modèle un peu à la mode pour expliquer la masse des particules est le boson de Higgs, qui n’a encore pas été découvert, mais ça c’est le travail du LHC.]

    ___Il est curieux de dire que ce boson de Higgs n’a pas encore été découvert, car il a été découvert depuis 2012, et que cet article date de 2017, et donc que cela fait plus de 5 ans, mais le Copier/Coller est une vraie force qui efface le temps, et ne fait pas vieillir. Il y a donc 7 ans que cette particule de boson de Higgs a été découverte, de façon expérimentale.

    ●●[(à part ces conneries d’énergie noire et de matière noire)]

    ___Il est curieux de voir de la vulgarité par ce mot de "connerie" car ayant lu près d’une cinquantaine d’articles de ce site, je n’ai pas vu le moindre mot vulgaire, mais sans doute l’agacement sur cette notion d’énergie noire, ou de matière noire qui d’ailleurs dans l’article n’est pas abordée et encore moins expliquée.

    ●●[Elle peut même disparaître dans un trou d’énergie négative ou par interaction avec l’antimatière.]

    ___Ceci en parlant de particules, mais ce que je ne comprend pas c’est :: "trou d’énergie négative" comme aussi aller dans le sens d’anti-matière. Un" trou d’énergie" je ne sais pas ce que c’est, comme aussi une "énergie négative". Si une charge peut être positive ou négative, je peux comprendre un peu, mais une énergie négative je ne comprends pas. Cela va sans doute dans le sens de pression négative où on inverse la pression, je n’en sais rien...

    ●●[La masse provient donc des interactions entre la particule et son nuage virtuel.]

    ___Qu’il y ait nuage de la particule cela est sûr car la particule comme l’électron par exemple, est pour ma part une structure non homogène de grains d’un niveau encore inférieur à la particule, mais le nuage n’est pas une entité à part car c’est la particule elle-même, même si le centre de ce nuage ou structure-champ est plus concentré en grains de base qui sont eux vraiment élémentaires. La particule n’est pas composée d’elle-même et d’un nuage, car l’ensemble est la particule comme si des éléments que sont des grains étaient plus distant du centre de la particule, et où ce centre fictif est plus concentré en grains, mais tous les grains constituants une structure modelable est la particule.

    Bonne soirée.
    JFP/Jean-François POULIQUEN.

    Répondre à ce message

Répondre à cet article

SPIP | squelette | | Plan du site | Suivre la vie du site RSS 2.0