La littérature scientifique décrit les photons comme des particules sans masse. Cette donnée joue un rôle déterminant dans la compréhension des mécanismes de l’Univers. En effet, tout indique que les photons traversent le vide de l’espace à une vitesse constante, sans jamais accélérer ni ralentir tant qu’un obstacle ne se dresse pas sur leur route.
En fait la science actuelle est incapable de déterminer la masse d’un photon.
Une grande partie des théories les plus fondamentales de la physique sont directement basées sur l’absence de masse des photons. Si cette dernière était écartée, les relativités générales et spéciales d’Einstein ou encore les équations de Maxwell, risqueraient de nécessiter de larges révisions.
Cette perspective 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.
C’est ce qu’une équipe de chercheurs chinois a récemment tenté de faire dans une étude dont on trouvera ci-dessous les références et l’abstract. Observons en passant que sur de nombreux points la science fondamentale chinoise dépasse dorénavant en performance la science occidentale.
Pour avancer, les scientifiques chinois se sont basés sur deux sources de rayonnements électromagnétiques intenses.
Les premiers sont des pulsars, des étoiles à neutrons qui tournent sur elles-mêmes à grande vitesse 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 errent en désordre.
Or 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. Selon les chercheurs, ces anomalies dans la propagation des ondes seraient aussi affectées par une éventuelle masse des photons. Si celle-ci était positive, 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.
Cependant. il ne s’agit pas encore d’une preuve que les photons disposent effectivement d’une masse ou qu’ils en sont dépourvus. Il faudra vraisemblablement quelques années supplémentaires pour que la technologie disponible permette de le vérifier rigoureusement.
Référence
Bounding the Photon Mass with Ultrawide Bandwidth Pulsar Timing Data and Dedispersed Pulses of Fast Radio Bursts
Yu-Bin Wang aud others
Published 2024 April 3
Published by the American Astronomical Society.
The Astrophysical Journal, Volume 965, Number 1
Abstract
Exploring the concept of a massive photon has been an important area in astronomy and physics. If photons have mass, their propagation in nonvacuum space would be affected by both the nonzero mass mγ and the presence of a plasma medium. This would lead to a delay time proportional to ??2?−4, which deviates from the classical dispersion relation (proportional to ν−2). For the first time, we have derived the dispersion relation of a photon with a nonzero mass propagating in plasma. To reduce the impact of variations in the dispersion measure (DM), we employed the high-precision timing data to constrain the upper bound of the photon mass. Specifically, the DM/time of arrival (TOA) uncertainties derived from ultrawide bandwidth (UWB) observations conducted by the Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) are used. The dedispersed pulses from fast radio bursts (FRBs) with minimal scattering effects are also used to constrain the upper bound of photon mass. The stringent limit on the photon mass is determined by uncertainties of the TOA of pulsars, with an optimum value of 9.52 × 10−46 kg (5.34 × 10−10 eV c−2). In the future, it is essential to investigate the photon mass, as pulsar timing data are collected by PPTA and UWB receivers, or FRBs with wideband spectra are detected by UWB receivers.
Europe Solidaire 