Gordon Kane, directeur du Michigan Center for Theoretical Physics à l’Université du Michigan à Ann Arbor, fournit cette réponse.

Les particules virtuelles sont en effet des particules réelles. La théorie quantique prédit que chaque particule passe un certain temps en combinaison d’autres particules de toutes les manières possibles. Ces prédictions sont très bien comprises et testées.

La mécanique quantique permet, et nécessite en effet, des violations temporaires de la conservation de l’énergie, de sorte qu’une particule peut devenir une paire de particules plus lourdes (les particules dites virtuelles), qui rejoignent rapidement la particule d’origine comme si elles n’y avaient jamais été. Si c’était tout ce qui se produisait, nous serions toujours convaincus que c’était un effet réel parce que c’est une partie intrinsèque de la mécanique quantique, qui est extrêmement bien testée, et qui est une théorie complète et étroitement tisséeif si une partie de celle-ci était fausse, toute la structure s’effondrerait.

Mais alors que les particules virtuelles font brièvement partie de notre monde, elles peuvent interagir avec d’autres particules, ce qui conduit à un certain nombre de tests des prédictions de la mécanique quantique sur les particules virtuelles. Le premier test a été compris à la fin des années 1940. Dans un atome d’hydrogène, un électron et un proton sont liés entre eux par des photons (les quanta du champ électromagnétique). Chaque photon passera un certain temps en tant qu’électron virtuel plus son antiparticule, le positron virtuel, car cela est permis par la mécanique quantique comme décrit ci-dessus. L’atome d’hydrogène a deux niveaux d’énergie qui, par coïncidence, semblent avoir la même énergie. Mais lorsque l’atome se trouve dans l’un de ces niveaux, il interagit différemment avec l’électron et le positron virtuels que lorsqu’il se trouve dans l’autre, de sorte que leurs énergies sont légèrement décalées à cause de ces interactions. Ce changement a été mesuré par Willis Lamb et le changement d’agneau est né, pour lequel un prix Nobel a finalement été décerné.

Les quarks sont des particules un peu comme les électrons, mais différentes en ce sens qu’elles interagissent également via la force forte. Deux des quarks les plus légers, les quarks dits « haut » et « bas », se lient pour former des protons et des neutrons. Le quark « supérieur » est le plus lourd des six types de quarks. Au début des années 1990, il avait été prédit pour exister mais n’avait été vu directement dans aucune expérience. Au collisionneur LEP du laboratoire européen de physique des particules du CERN, des millions de bosons Z – les particules qui médient les interactions faibles neutres – ont été produits et leur masse a été mesurée avec une grande précision. Le modèle standard de la physique des particules prédit la masse du boson Z, mais la valeur mesurée différait un peu. Cette petite différence pourrait s’expliquer par le temps que le Z a passé en tant que quark supérieur virtuel si un tel quark supérieur avait une certaine masse. Lorsque la masse du quark supérieur a été directement mesurée quelques années plus tard au collisionneur de Tevatron du Fermi National Accelerator Laboratory près de Chicago, la valeur était en accord avec celle obtenue à partir de l’analyse des particules virtuelles, fournissant un test spectaculaire de notre compréhension des particules virtuelles.

Un autre très bon test que certains lecteurs voudront peut-être rechercher, que nous n’avons pas d’espace pour décrire ici, est l’effet Casimir, où les forces entre les plaques de métal dans l’espace vide sont modifiées par la présence de particules virtuelles.

Ainsi, les particules virtuelles sont bien réelles et ont des effets observables que les physiciens ont mis au point des moyens de mesure. Leurs propriétés et leurs conséquences sont des conséquences bien établies et bien comprises de la mécanique quantique.