37 - spin et rotation des particules

Nous avons montré que la conservation de l’énergie par la masse implique qu’elle soit continuellement en mouvement. Celui-ci est constituée par la rotation sur elle-même de la particule. Consécutivement on ne saurait chercher ailleurs que dans les caractéristiques des mouvements des particules la cause des effets attractifs ou répulsifs.

1-  Moment magnétique,  nature positive ou négative de la charge et le spin de la particule.

a) L’existence d’un mouvement de spin a été déduite d’une interprétation stricte du principe d’équivalence masse/énergie. Selon Dirac, l’électron se comporte comme un petit aimant avec un moment magnétique et un moment électrique. La valeur conservée est la somme des moments cinétique et du spin de l’électron. Le spin est doté des doubles attributs cinétique et magnétique. Dirac, en recherchant une écriture relativiste de la fonction d'onde montra que le spin était inclus dans sa nouvelle formulation. Cette fonction devenait une grandeur à quatre composantes et orientations possibles. L'introduction du spin dans la mécanique ondulatoire a constitué une étape décisive pour donner cohérence à la mécanique nouvelle. L’extraction de vérités physiques à partir d’équations respectant des conditions de cohérence formelle, elles-mêmes rattachées à des lois fondamentales (symétrie, covariance relativiste, lois de conservation) a fait oublier l’importance du mécanisme et son fonctionnement. Le  lien entre le principe de conservation des moments cinétique et magnétique avec celui de conservation de l’énergie n’a pas été précisé.

Quand un muon (-) se désintègre, l'électron émerge de préférence vers la droite de l'axe de spin. Inversement, dans la désintégration d'un muon (+) le positron est émis vers la gauche.  

A partir de cette notion concrète de sens de rotation, la physique des particules  élabora  une mathématique du spin dont l'objectif était de comprendre les principes de transmutation et de création des particules. Ceci amena à distinguer, notamment, les particules à spin 1/2 (les fermions) des particules d'échanges ou bosons de spin 1 destiné à justifier et à fonder une nouvelle loi issue de l'analyse du résultat des expériences: la loi de conservation du moment cinétique.

En physique quantique, le moment cinétique intrinsèque représente la moitié du quantum d'action h. La loi de conservation du moment cinétique impose que si dans une transition, ce moment est demi-entier dans l'état initial, il le sera également dans l'état final et toute interaction supposera un multiple toujours entier du quantum d'action.

Cette loi de conservation du moment cinétique apparaît comme une propriété des particules de matière. Si, comme nous le pensons, la conservation de son énergie par la masse implique celle de son mouvement de rotation et si d’autre part, le bilan énergétique doit être le même avant et après la transmutation, il va de soi que l’énergie est transmise intégralement sous forme de mouvement de rotation. En conséquence la loi de conservation du moment cinétique des particules est l’exacte pendant de celle de la conservation de l’énergie par la masse.  Ce qui est en effet transmis, c’est une quantité d’énergie qui s’exprime en une quantité de mouvement d’un corps. La particule possédant une rotation de spin, transmet la valeur de son mouvement. La conservation du mouvement cinétique justifie l’exactitude de la théorie qui affirme que la conservation de l’énergie par la masse suppose la conservation de son mouvement de spin. Il va de soi qu’il existe un lien naturel entre la constante de Planck h qui mesure le moment cinétique et l’énergie de masse C² qui donne la mesure de l’énergie de spin.

Pour nous résumer, il semble qu’une grande confusion règne en physique lorsqu’il s’agit de différencier le moment magnétique, la nature positive ou négative de la charge et le spin de la particule. Ces difficultés sont illustrées par le texte suivant :

Dans les détecteurs, deux particules de charges opposées verront leurs trajectoires courbées dans des sens opposés. .  Ainsi, les particules seront déviées en fonction de leurs charges et pourrons donc être différenciées. L’électron possède une charge électrique : son déplacement engendre un courant. Mais il possède également « un spin ». En raison de ce « spin », on peut considérer qu’à l’électron est associée une petite boussole ne pouvant s’orienter que dans deux directions. On parle de spin-up ou spin⁺(vers le haut) et spin-down ou spin^- (vers le bas) et on représente le spin par une petite flèche.

Le  moment magnétique est associé à la rotation de l’électron sur lui-même en assimilant ce dernier à une sphère chargée tournant autour d’un de ses diamètres. Le spin se représente comme l'axe de rotation de la particule sur elle-même (comme une toupie par exemple). Comme l’aiguille d'une boussole près d'un aimant, le spin d'un électron s'aligne dans la direction du champ magnétique créé par un dipôle.

Dans la radioactivité B- l’électron a toujours la même chiralité et la radioactivité B+ avec émission de positron a la chiralité opposée. L’hélicité est dite droite ( + )  ou gauche ( - ) lorsque l’axe du spin est projeté dans la direction positive ou négative de l’impulsion.

De ce qui précède on peut en conclure :

1) La charge est déterminée par le sens du déplacement des particules dans un détecteur.

Ce sens droite ou gauche dépend absolument du sens de rotation de la particule. En effet, si la particule choisit une direction ou une autre, c’est bien parce que son mouvement interne de rotation détermine son type de réaction relativement à un champ magnétique. Si la charge  n’est pas un principe évanescent entourant une particule, il faut établir un lien de causalité étroit entre les particularités de son mouvement de rotation, la direction suivie et la nature consécutive de la charge. Ainsi, il apparaît à l’évidence que la nature de la charge est intimement liée au sens de rotation de la particule.

2) Le moment magnétique est associé à la rotation de l’électron. S’il est « assimilé » à une sphère chargée, c’est bien que la charge dépend de cette sphère et que celle-ci est en rotation. Cela signifie qu’effectivement le moment magnétique et la charge dépendent du mouvement interne de la particule. De là il faut conclure également que le principe qui commande à la charge et au moment magnétique relève d’un même mécanisme.

3) Moment magnétique : la gravitation d'un électron autour du noyau est équivalente à des courants électriques qui transforment l'atome en un petit aimant que l'on peut caractériser par son moment magnétique M ( M = evr°)  Le moment cinétique orbital = mvr° par conséquent le moment magnétique est relié au moment  orbital et consécutivement au mouvement, au déplacement,  de l’électron autour du proton.

4) Le spin est l’axe de rotation de la particule sur elle-même mais également le sens de cette rotation. Une confusion règne quant à la nature du spin tantôt assimilé à l’axe de la rotation, tantôt au sens de cette rotation. Il ne fait pas de doute que les particules tournent sur elles-mêmes et on  a défini un sens de rotation qui est désormais quantifié : la direction : +1/2 dans le sens des aiguilles d'une montre (droit autour de la direction de leur mouvement) et -1/2 dans l'autre sens c’est-à-dire orienté le long ( + ) ou en travers ( - ) de la direction du champ magnétique.

Ainsi le spin, le moment magnétique, la charge de la particule sont bien liés à la rotation de la particule et au sens de celle-ci