Dans le modele standard de la physique des particules et la theorie de la relativite restreinte d'Albert Einstein, la vitesse de la lumiere dans le vide (c) constitue une limite de vitesse cosmique absolue pour toutes les formes connues de matiere et d'information. Cependant, le cadre mathematique de la relativite n'interdit pas explicitement l'existence de particules qui se deplacent toujours plus vite que la lumiere. Ces entites hypothetiques sont connues sous le nom de tachyons.
1. L'origine historique des tachyons
Le fondement conceptuel des particules supraluminiques remonte au debut du XXe siecle. Des 1917, le physicien Richard Tolman a reconnu que le deplacement supraluminique dans le cadre de la relativite restreinte conduirait a des violations de la causalite, formulees dans le celebre paradoxe de "l'antitelephone tachyonique".
Cependant, la formalisation moderne du concept de tachyon est principalement attribuee au physicien Gerald Feinberg, qui a invente le terme dans son article fondateur de 1967 publie dans la Physical Review, intitule "Possibility of Faster-Than-Light Particles". Le nom derive du mot grec tachys (takhus), signifiant "rapide". Feinberg a emis l'hypothese que les tachyons pourraient exister en tant que quanta d'un champ quantique a masse imaginaire. A la meme epoque, les physiciens E.C.G. Sudarshan, O.M.P. Bilaniuk et V.K. Deshpande ont independamment developpe un cadre cinematique rigoureux pour les particules supraluminiques, classifiant toute la matiere en trois categories distinctes selon leur relation a la vitesse de la lumiere :
- Bradyons (ou tardyons) : Particules dotees d'une masse au repos reelle qui se deplacent toujours plus lentement que c (par exemple protons, electrons).
- Luxons : Particules sans masse qui se deplacent exactement a c (par exemple photons, gluons).
- Tachyons : Particules hypothetiques dotees d'une masse au repos imaginaire qui se deplacent toujours plus vite que c.
2. La cinematique de la masse imaginaire
Pour comprendre les tachyons, il faut examiner l'equation relativiste energie-impulsion :
Pour une particule se deplacant plus vite que la lumiere, son impulsion (p) et son energie (E) doivent rester mathematiquement reelles pour que la particule soit physiquement observable. Selon les equations de la transformation de Lorentz, l'energie relativiste d'une particule est donnee par E = m₀c² / v(1 - v²/c²).
Si la vitesse (v) est superieure a c, le terme sous la racine carree (1 - v²/c²) devient negatif, ce qui produit un denominateur imaginaire. Pour que l'energie totale (E) reste un nombre reel, la masse au repos (m₀) doit egalement etre un nombre imaginaire. Quand un nombre imaginaire est divise par un nombre imaginaire, le resultat est reel. Ainsi, les tachyons sont mathematiquement definis par le fait de posseder une masse au repos imaginaire (un multiple de la racine carree de -1, soit i).
La relation energie-vitesse inversee
L'une des proprietes les plus contre-intuitives des tachyons est leur reaction aux changements d'energie. Pour la matiere ordinaire (bradyons), ajouter de l'energie augmente la vitesse, la rapprochant de la vitesse de la lumiere. Pour les tachyons, la relation est inversee : perdre de l'energie augmente leur vitesse. Quand l'energie d'un tachyon s'approche de zero, sa vitesse tend vers l'infini. Inversement, quand son energie tend vers l'infini, sa vitesse ralentit, s'approchant de c par le haut. Ainsi, la vitesse de la lumiere agit comme un plancher infranchissable pour les tachyons, tout comme elle agit comme un plafond infranchissable pour la matiere ordinaire.
3. Les tachyons en theorie quantique des champs et en theorie des cordes
Bien que des particules tachyoniques isolees n'aient jamais ete observees, les champs tachyoniques sont un concept essentiel en physique theorique moderne, notamment en theorie quantique des champs (TQC) et en theorie des cordes.
En TQC, un tachyon n'est pas necessairement compris comme une particule se deplacant plus vite que la lumiere, mais comme un indicateur d'instabilite dans le systeme. Un champ a masse imaginaire (un champ tachyonique) represente une configuration situee au maximum local de son energie potentielle, comme une bille en equilibre precaire au sommet d'une colline.
Cette instabilite se resout par un processus connu sous le nom de condensation tachyonique. Le champ "descend la colline" pour atteindre un minimum stable, acqurant une valeur attendue du vide non nulle. L'exemple le plus celebre de ce mecanisme est le champ de Higgs. Avant la brisure spontanee de symetrie dans l'univers primitif, le champ de Higgs etait techniquement tachyonique (avec un terme de masse au carre negatif). Lorsque l'univers s'est refroidi, le champ a subi une condensation tachyonique, brisant la symetrie electrofaible et conferant une masse aux particules fondamentales.
En theorie des cordes bosoniques, la version fondatrice de la theorie des cordes, l'etat d'energie le plus bas (l'etat fondamental) de la corde est un tachyon. Ce "probleme du tachyon" indiquait que la theorie des cordes bosoniques etait instable. Le probleme a ete resolu plus tard par l'introduction de la supersymetrie, menant a la theorie des supercordes, qui elimine naturellement l'etat fondamental tachyonique.
4. Recherches experimentales et l'anomalie OPERA
Pendant des decennies, les physiciens experimentaux ont mene des recherches rigoureuses de particules tachyoniques a l'aide de detecteurs de rayons cosmiques et d'accelerateurs de particules. Si des tachyons charges existaient, ils emettraient theoriquement un rayonnement Tcherenkov meme dans le vide parfait, puisqu'ils se deplaceraient plus vite que la vitesse locale de la lumiere (qui dans le vide est c). Cette perte continue d'energie les ferait accelerer vers une vitesse infinie. Aucun rayonnement Tcherenkov de vide n'a jamais ete detecte.
Le croisement le plus celebre entre physique experimentale et tachyons s'est produit en 2011 avec l'anomalie des neutrinos OPERA. La collaboration OPERA au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie a rapporte que des neutrinos muoniques envoyes depuis le CERN en Suisse etaient arrives 60 nanosecondes plus tot que la lumiere n'aurait mis pour parcourir la meme distance. Pendant une breve periode, la communaute scientifique a envisage la possibilite que les neutrinos soient tachyoniques.
Cependant, des enquetes subsequentes ont revele que l'anomalie resultait d'erreurs de mesure experimentale, en particulier un cable a fibre optique mal connecte reliant un recepteur GPS a une carte electronique, et un oscillateur d'horloge battant legerement trop vite. Une fois corrigees, les vitesses des neutrinos se sont averees compatibles avec la vitesse de la lumiere, et l'hypothese tachyonique a ete ecartee.
5. Le paradoxe de causalite : l'antitelephone tachyonique
L'objection theorique principale a l'existence de tachyons physiques est la violation de la causalite. En relativite restreinte, la sequence des evenements depend du referentiel de l'observateur. Si les tachyons peuvent transmettre de l'information plus vite que la lumiere, il est possible de construire des referentiels ou un signal est recu avant d'etre envoye.
C'est ce qu'illustre le paradoxe de l'antitelephone tachyonique. Si Alice et Bob s'eloignent l'un de l'autre a des vitesses relativistes, Alice pourrait utiliser un emetteur tachyonique pour envoyer un message a Bob. Bob, a sa reception, repondrait immediatement avec son propre emetteur tachyonique. En raison de la relativite de la simultaneite, les mathematiques dictent qu'Alice recevrait la reponse de Bob avant d'avoir envoye son message original. Cela cree une boucle causale fatale : et si le message original d'Alice etait une instruction a Bob de ne *pas* repondre ?
Pour resoudre ce probleme, les physiciens s'appuient sur des principes comme la conjecture de protection chronologique de Stephen Hawking ou l'idee que meme si des champs tachyoniques existent (comme dans le mecanisme de Higgs), ils ne peuvent pas etre utilises pour transmettre de l'information ou de l'energie localisee plus vite que c.
Conclusion
Les tachyons demeurent une elegante curiosite mathematique et un outil theorique essentiel. Bien que des particules physiques traversant l'espace plus vite que la lumiere n'aient jamais ete detectees -- et causeraient des ravages sur la causalite si elles l'etaient -- les mathematiques sous-jacentes de la masse imaginaire et des champs tachyoniques (condensation tachyonique) sont absolument centrales dans notre comprehension moderne de la theorie quantique des champs et de l'origine de la masse dans l'univers.