Physique : l’étau se resserre autour de la masse de la lumière

Combien pèse la lumière ? Traditionnellement, la réponse à cette question a toujours été zéro. Des cours de physique de niveau lycée aux modèles avec lesquels travaillent les spécialistes, (presque) toute la littérature scientifique décrit les photons comme des particules sans masse, et cette donnée joue un rôle déterminant dans notre compréhension des mécanismes de l’Univers.

Si autant de modèles attribuent une masse nulle aux photons, c’est parce que cela correspond bien à ce que l’on observe en pratique. En effet, tout indique que ces objets traversent le vide de l’espace à une vitesse constante, sans jamais accélérer ou ralentir tant qu’un obstacle ne se dresse pas sur leur route. Cela implique effectivement que les photons sont dépourvus de toute masse… du moins, selon les lois de la physique communément admises aujourd’hui.

La masse du photon, un pilier de la physique moderne

Car jusqu’à présent, personne n’a réussi à le démontrer rigoureusement. Si les photons avaient effectivement une masse, elle serait incroyablement faible. Même les neutrinos, les fameuses « particules fantômes » qui sont les objets les plus légers détectables avec les méthodes actuelles, seraient de véritables mastodontes en comparaison. Par conséquent, la science moderne est tout simplement incapable de déterminer directement la masse d’un photon.

Mais cela n’empêche pas les spécialistes de chercher. Et s’ils s’infligent un tel casse-tête, ce n’est pas simplement pour le plaisir de se creuser la tête ; une telle découverte aurait des implications absolument dantesques. En effet, une grande partie de nos théories les plus fondamentales sont directement basées sur l’absence de masse des photons. Si cette dernière était écartée, les relativités restreintes et générales d’Einstein ou encore les équations de Maxwell, des piliers sur lesquels reposent des pans entiers de la physique moderne, risquent fort de nécessiter de larges révisions. En d’autres termes, c’est tout le modèle standard de la physique des particules qui pourrait vaciller… voire s’écrouler complètement — avec tout ce que cela impliquerait pour notre compréhension de l’Univers.

Cette perspective à la fois terrifiante et fascinante motive de nombreux physiciens à imaginer des méthodes indirectes pour déterminer l’éventuelle masse d’un photon — ou plutôt la fourchette dans laquelle elle pourrait éventuellement se situer.

Le plasma à la rescousse

C’est ce qu’une équipe de chercheurs chinois affiliés a récemment tenté de faire dans une étude relayée sur Phys.org. Pour avancer, ils se sont basés sur deux sources de rayonnements électromagnétiques très intenses.

Les premiers sont des pulsars, des étoiles à neutrons qui tournent sur elles-mêmes à une vitesse ébouriffante tout en émettant un puissant flux de particules accélérées par leur champ magnétique très intense. Vu de la Terre, ces rayonnements nous parviennent sous forme de pulsations périodiques et intermittentes, d’où le terme de pulsar. Les seconds sont des sursauts radio rapides (ou FRB, pour Fast Radio Burst). Ce sont des décharges d’onde radio à la fois très brèves et exceptionnellement intenses qui voyagent à travers le cosmos depuis des sources encore inconnues à ce jour.

Il s’agit de deux types de rayonnements très différents, mais ils ont tout de même des points communs, dont un particulièrement important dans le cadre de ces travaux. Lors de leur voyage, les photons qui les composent peuvent croiser différentes sources de plasma. Ce terme désigne un état de la matière où les électrons, des particules chargées négativement, sont arrachés aux atomes et se promènent librement, dans un désordre complet.

On sait que ces charges libres peuvent affecter la propagation des ondes électromagnétiques émises par les pulsars et les FRB. Plus spécifiquement, elles ont tendance à les diffuser ; en pratique, cela se manifeste par une dispersion des photons qui les composent. Or, selon les chercheurs, ces anomalies dans la propagation des ondes seraient aussi affectées par une éventuelle masse des photons ; si elle était supérieure à zéro, ils arriveraient avec un léger retard.

Ce délai serait infinitésimal et impossible à mesurer directement et précisément. Mais en exploitant de nombreuses sources, les chercheurs ont pu construire un modèle statistique décrivant l’influence de la masse des photons dans cette dynamique. À partir de là, ils ont pu calculer la limite supérieure théorique de la masse des photons, à savoir 9,52 x 10^-46 kg — environ 10 milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus léger qu’une particule de poussière.

« C’est la première fois que les interactions entre un photon de masse non nulle et le plasma sont prises en compte et calculées », expliquent les auteurs.

Pas (encore) de preuve formelle

Il ne s’agit en aucun cas d’une preuve que les photons disposent effectivement d’une masse ou qu’ils en sont dépourvus; il faudra vraisemblablement quelques décennies supplémentaires pour que la technologie nous permette de le vérifier rigoureusement.

En revanche, c’est tout de même un résultat très intéressant. Cette étude pourra servir de ligne directrice pour concevoir de nouvelles approches expérimentales, et permettra de tester la cohérence des modèles actuels avec les observations pour aider les chercheurs à s’approcher d’une réponse convaincante. Mais en attendant, les physiciens continueront de se baser sur les travaux de Maxwell Einstein et consorts qui nous ont déjà rendu de fiers services.

Le texte de l’étude est disponible ici.

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