Violation de la parité
La violation de la parité désigne le fait que, dans la nature, certains processus physiques n'ont pas d'équivalent exact lorsqu'on les observe dans un miroir.
Que signifie la parité ?
La parité est une symétrie fondamentale selon laquelle un phénomène physique peut se produire de la même manière dans sa configuration réelle et dans son image spéculaire, sans que les lois physiques qui le décrivent soient modifiées.
Autrement dit, il s'agit d'imaginer un phénomène vu dans un miroir, en échangeant la gauche et la droite, puis de se demander si le processus reste physiquement possible.
Lorsque le phénomène demeure inchangé sous cette transformation, on dit qu'il conserve la parité.
Par exemple, un électron arrivant par la droite et un positron arrivant par la gauche peuvent s'annihiler en produisant deux photons émis dans des directions opposées. Dans le processus miroir, où l'électron arrive par la gauche et le positron par la droite, les photons sont de nouveau émis dans des directions opposées, mais inversées, car les lois de l'électrodynamique sont invariantes par inversion spatiale. Dans ce cas, la parité est conservée.
En réalité, la véritable inversion spatiale associée à l’opérateur de parité correspond à une symétrie centrale, c’est-à-dire à une réflexion par rapport à un point fixe C. Lors d’une transformation de parité authentique, les deux photons échangent effectivement leurs positions dans l’espace.
Pour faciliter la compréhension, on utilise toutefois très souvent l’analogie du miroir, autrement dit une symétrie axiale. Cette représentation est plus intuitive et permet de se faire rapidement une image mentale du phénomène. Dans ces notes, elle est donc adoptée comme outil pédagogique, tout en gardant à l’esprit qu’il s’agit d’une simplification et non de la transformation géométrique exacte mise en jeu par l’opérateur de parité.
Pendant longtemps, on a considéré que toutes les lois de la physique respectaient la symétrie de parité.
Cette idée reposait à la fois sur l'expérience quotidienne et sur le fait que les interactions connues à l'époque, comme l'interaction gravitationnelle ou électromagnétique, obéissaient pleinement à cette symétrie.
Cependant, au cours de la seconde moitié du XXe siècle, il est apparu que la parité n'est pas un principe universel, car l'interaction faible viole la parité.
Note. Pour simplifier l'exposé, le spin est ici décrit comme une « rotation » dans le sens horaire ou antihoraire. En réalité, le spin n'est pas une rotation classique dans l'espace, mais une propriété quantique intrinsèque des particules, sans équivalent direct en physique classique.
La découverte de la violation de la parité
Dans les années 1950, les travaux théoriques de Tsung-Dao Lee et Chen-Ning Yang ont montré qu'aucune preuve expérimentale ne confirmait la conservation de la parité dans les interactions faibles.
Peu après, en 1957, Chien-Shiung Wu réalisa une expérience décisive portant sur la désintégration bêta du cobalt 60. Cette expérience démontra de manière incontestable que la parité n'est pas conservée dans les processus faibles.
Les noyaux de cobalt furent alignés à l'aide d'un champ magnétique et refroidis à des températures extrêmement basses.
On observa alors que, lors de la désintégration bêta, les électrons sont émis préférentiellement dans la direction opposée au spin nucléaire, ce qui révèle une violation statistiquement significative de la symétrie spatiale.
La version spéculaire du phénomène ne se produit donc pas avec la même probabilité.
Note. Sur la figure de gauche est représenté le processus réellement observé : l'électron est émis vers le bas et la rotation est antihoraire, avec la polarité N-S orientée vers le haut. Sur la figure de droite apparaît la configuration spéculaire : l'électron est toujours émis vers le bas, mais la rotation réfléchie devient horaire, de sorte que la polarité N-S est orientée vers le bas. Cette configuration ne correspond pas à un processus physiquement réalisable, ce qui montre que la symétrie miroir, et donc la parité, est violée dans les interactions faibles.
Cette expérience a montré que l'interaction faible distingue la gauche de la droite, une propriété absente des autres interactions fondamentales.
Symétrie centrale
Comme indiqué précédemment, on utilise souvent l’analogie du miroir, autrement dit la symétrie axiale, car elle permet de visualiser le phénomène de manière simple et intuitive.
Cependant, d’un point de vue physique rigoureux, la véritable opération de parité correspond à une symétrie centrale, c’est-à-dire à une réflexion par rapport à un point fixe de l’espace.
D’un point de vue physique, le résultat est identique : la configuration réfléchie n’est pas observée dans les interactions faibles, ou du moins pas avec la même probabilité. C’est précisément cette asymétrie qui définit la violation de la parité.
Pourquoi la parité est-elle violée ?
L’explication repose sur la nature du spin, qui est un pseudovecteur. Contrairement aux vecteurs polaires ordinaires, un pseudovecteur ne change pas de signe lorsqu’on effectue une inversion spatiale.
Ainsi, lorsque la direction du mouvement de l’électron est inversée par une transformation de parité, l’orientation de son spin reste inchangée.
Dans la configuration réfléchie, le spin continue donc de pointer vers le haut et demeure aligné avec la direction du mouvement de l’électron. Or, cette configuration ne se manifeste pas dans les interactions faibles.
Remarque. Exprimé de manière plus intuitive, et en reprenant l’analogie de la polarité, le sens de rotation reste antihoraire même dans la configuration réfléchie. Le spin continue donc de pointer vers le haut. Toutefois, dans les interactions faibles, la nature ne réalise pas cette configuration avec la même probabilité, ce qui conduit à la violation de la parité.
Quelles sont les implications de la violation de la parité en physique ?
La violation de la parité implique qu'un processus physique et son image spéculaire ne sont pas équivalents.
En d'autres termes, certains phénomènes peuvent se produire dans la nature sans que leur version miroir soit physiquement réalisable.
Cette asymétrie ne concerne pas toutes les interactions fondamentales, mais uniquement l'interaction faible. Les interactions électromagnétique, forte et gravitationnelle respectent, quant à elles, la symétrie de parité.
La découverte de la violation de la parité a profondément transformé la physique théorique. Elle a montré que les symétries ne constituent pas des principes absolus de la nature, mais des propriétés qui doivent être testées et confirmées par l'expérience.
Elle a également ouvert la voie au développement de la théorie électrofaible, dans laquelle la violation de la parité est intégrée de manière naturelle à la structure mathématique des interactions fondamentales.
Plus largement, la violation de la parité révèle que l'Univers présente une orientation privilégiée dans certains phénomènes physiques.
Exemple des neutrinos
Les neutrinos offrent l'un des exemples les plus frappants et les plus instructifs de la violation de la parité.
Jusqu'aux années 1950, on pensait que les neutrinos, tout comme les photons, pouvaient exister sous deux formes symétriques, l'une droitière et l'autre gauchère, présentes en proportions égales. Cette vision s'inscrivait dans une conception largement admise selon laquelle les lois de la physique étaient invariantes sous l'échange de la gauche et de la droite.
Les découvertes ultérieures ont pourtant révélé une réalité bien différente. Les neutrinos participent exclusivement à l'interaction faible et présentent, pour cette raison même, une asymétrie profonde :
- tous les neutrinos observés sont gauchers
- tous les antineutrinos observés sont droitiers
Ce constat repose sur un ensemble cohérent de résultats expérimentaux, confirmés de manière indépendante à de nombreuses reprises.
Ce qui demeure mystérieux, en revanche, est l'origine profonde de cette asymétrie. Nous savons qu'elle existe, mais nous ignorons encore pourquoi la nature a privilégié une telle configuration.
Que signifie qu'une particule soit droitière ou gauchère ?
Une particule est dite droitière lorsque son spin est orienté dans le même sens que sa direction de propagation, et gauchère lorsque son spin est orienté en sens opposé. Ces notions ne renvoient pas à une gauche ou une droite absolues dans l'espace, mais à la relation entre la direction du mouvement et l'orientation du spin.
Il est essentiel de souligner que la chiralité dépend du référentiel. Par exemple, si l'on observe une particule dont la rotation est antihoraire, puis que l'on se déplace plus rapidement qu'elle dans la même direction, sa rotation apparente devient horaire. La rotation intrinsèque de la particule n'a pas changé, mais le référentiel d'observation, lui, a changé. Autrement dit, une particule droitière peut apparaître gauchère lorsqu'on change de référentiel, car l'hélicité n'est pas invariante par transformation de Lorentz.
Cela montre que l'hélicité n'est pas une propriété absolue, mais dépend du référentiel choisi. En revanche, pour les particules sans masse, comme les neutrinos idéalisés, cette possibilité disparaît. Une particule sans masse se propage nécessairement à la vitesse de la lumière et ne peut donc jamais être dépassée. Il n'existe alors aucun référentiel dans lequel sa direction de propagation puisse être inversée. C'est pourquoi, pour les particules sans masse, l'hélicité devient une grandeur invariante, indépendante de l'observateur et propre à la particule.
Il en découle que l'image spéculaire d'un neutrino n'existe pas dans la nature. Si elle existait, elle interagirait comme une particule ordinaire, ce qui n'est pas observé expérimentalement.
Note. Sur la figure de gauche est représenté le mouvement, la rotation antihoraire et le spin d'un neutrino gaucher. Sur la figure de droite apparaît son image spéculaire, dans laquelle la rotation est horaire et le spin est orienté vers le bas. Cette configuration correspondrait à un neutrino droitier, puisque le spin serait aligné avec la direction du mouvement. Or une telle particule n'existe pas dans la nature. C'est pourquoi les neutrinos observés sont toujours gauchers.
Ce phénomène constitue l'une des manifestations les plus profondes de la violation de la symétrie de parité dans la nature.
Comme les neutrinos se déplacent à la vitesse de la lumière, leur hélicité, c'est-à-dire l'orientation du spin par rapport à la direction du mouvement, est une grandeur absolue et invariante.
Aucun référentiel ne peut se déplacer plus rapidement qu'une particule sans masse. Il est donc impossible d'inverser sa direction de propagation par un simple changement d'observateur.
Note. On sait aujourd'hui que les neutrinos possèdent une masse très faible mais non nulle. Cela implique qu'il doit exister, en principe, des états de neutrinos droitiers. Toutefois, ces neutrinos droitiers ne participent pas à l'interaction faible et demeurent donc inaccessibles aux expériences actuelles. On les désigne généralement sous le nom de neutrinos stériles. Leur existence éventuelle ne remet pas en cause la violation observée de la parité. L'une des grandes questions ouvertes de la physique des particules consiste à comprendre pourquoi seuls les neutrinos gauchers et les antineutrinos droitiers participent à l'interaction faible, tandis que les neutrinos droitiers restent invisibles.
Chiralité et hélicité
La violation de la parité est étroitement liée à la distinction entre chiralité et hélicité.
- Hélicité : elle décrit l'orientation du spin d'une particule par rapport à sa direction de mouvement. Une particule est dite droitière si son spin est parallèle à son impulsion, et gauchère s'il lui est antiparallèle. L'hélicité dépend de l'état de mouvement de la particule et ne constitue donc pas une propriété absolue.
- Chiralité : il s'agit d'une propriété intrinsèque liée à la manière dont une particule se couple aux interactions fondamentales. En particulier, seules les particules de chiralité gauche et les antiparticules de chiralité droite participent à l'interaction faible. La chiralité ne dépend pas du mouvement de la particule, mais de la structure du champ quantique sous-jacent.
Pour les particules massives, hélicité et chiralité ne coïncident pas nécessairement. Une particule peut posséder une chiralité gauche tout en présentant une hélicité droite, ou inversement, selon le référentiel considéré.
La situation change radicalement pour les particules sans masse, comme les neutrinos idéalisés. Étant donné qu'elles se déplacent à la vitesse de la lumière, aucun référentiel ne peut les dépasser ni inverser leur direction de propagation. Par conséquent, pour les particules sans masse, l'hélicité devient une grandeur invariante et coïncide avec la chiralité.
Et ainsi de suite.
