Électrodynamique quantique et décalage de Lamb

Abstract

Dans une expérience réalisée en 1947, Lamb et Retherford ont montré que les niveaux du deuxième état quantique de l’atome d’hydrogène ne sont pas totalement en accord avec les prédictions de la théorie de Dirac. En fait le décalage entre les états 2P3/2 et 2P1/2 reflète les prédictions de la théorie de Dirac. Par contre, les états 2S1/2 et 2P1/2 qui selon le formalisme de Dirac sont dégénérés, ne le sont pas en fait. L’expérience de Lamb montre que ces derniers sont décalés l’un de l’autre d’un intervalle correspondant à une radiation de 1057MHz. La théorie de Dirac est donc mise en défaut, et il faut aller au delà. Ce décalage de Lamb ne trouva son explication qu’avec l’établissement de l’électrodynamique quantique. Cette électrodynamique quantique qui n’est en fait qu’une partie intégrée dans une théorie plus générale connue sous le nom de modèle standard des interactions électrofaible et forte. Ce modèle standard qui avait passé avec succès jusqu’à la fin du siècle dernier les tests de précision dans le domaine du GeV au niveau des collisionneurs électron positron le LEP et proton-antiproton le Tevatron, est actuellement soumis aux tests de précision dans la région du TeV au niveau du grand collisionneur hadronique le LHC. Dans ce mémoire, on veut élucider l’explication que donne l’électrodynamique quantique au décalage de Lamb. On effectue alors un travail de synthèse et de mise en évidence des techniques de calcul des corrections radiatives dans le cadre de l’électrodynamique quantique. On passe d’abord en revu la construction de l’électrodynamique quantique. Puis, on explicite les détails du calcul des corrections radiatives à l’ordre de la boucle des propagateurs photonique et fermionique ainsi que du vertex électromagnétique. Ensuite, on calcule le déplacement des niveaux d’énergies atomiques de l’atome d’hydrogène due à la prise en compte de l’électrodynamique quantique. Enfin, on déduit le décalage entre les niveaux des énergies des états atomiques 2S1/2 et 2P1/2. On montre alors que la valeur théorique calculée à l’ordre de la boucle dans le cadre de l’électrodynamique quantique est à 0.6 % proche de la valeur expérimentale.