Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université d’Osaka et de l’Université de Californie à San Diego a utilisé des simulations pour montrer comment la matière peut être fabriquée en laboratoire à partir de la lumière seule, ce qui pourrait aider à tester d’anciennes théories sur l’énergie dans la composition de l’univers.
D’où vient la matière qui forme tout ce que nous voyons ? C’est l’une des questions les plus fondamentales de la physique et de la cosmologie, et elle a à voir avec le processus de conversion entre l’énergie et la masse.
Selon la célèbre équation d’Einstein E=mc 2, l’énergie et la masse sont équivalentes et peuvent se transformer l’une dans l’autre. Cela se produit constamment dans le Soleil et d’autres étoiles, où les noyaux atomiques fusionnent et libèrent de l’énergie sous forme de lumière.
Mais cela s’est également produit dans les premiers instants de l’univers, lorsqu’il y avait une grande densité d’énergie et que les premières particules de matière se sont formées.
choc léger
L’un des mécanismes qui permet cette transformation de l’énergie en matière est la collision photon-photon, c’est-à-dire la collision entre deux particules de lumière. Lorsque deux photons très énergétiques entrent en collision, ils peuvent produire une paire de électron et positronc’est-à-dire une particule de matière et son antiparticule correspondante.
Ce procédé a été proposé pour la première fois en 1934 par des physiciens Grégory Breit et Jean Wheelermais il a été très difficile à observer expérimentalement, car il faut des conditions extrêmes qui ne se produisent pas dans la nature.
Cependant, des avancées importantes ont récemment été réalisées pour démontrer cet effet en laboratoire, en utilisant des accélérateurs de particules et des lasers. Ces expériences nous permettent d’étudier comment la matière est créée à partir de la lumière et comment elle se comporte dans différents environnements.
la matière de la lumière
L’une des premières expériences qui a montré la création directe de matière à partir de la lumière en une seule étape a été réalisée en 2021 par une équipe de scientifiques du Brookhaven National Laboratory à New York, comme nous l’expliquions alors dans autre article.
Les chercheurs ont utilisé un accélérateur de particules appelé collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) pour accélérer deux faisceaux d’ions d’or, c’est-à-dire des noyaux atomiques sans électrons, jusqu’à une vitesse proche de la lumière dans des directions opposées.
En les faisant passer l’un à côté de l’autre sans se heurter, les ions ont généré autour d’eux un champ électromagnétique très intense, où il y avait une grande quantité de photons virtuels.
Recréation artistique de la création de la matière en laboratoire. Générateur d’images BING AI pour T21/Prensa Ibérica, développé avec la technologie DALL·E.
de l’irréel au réel
Ces photons virtuels sont des particules qui apparaissent brièvement comme des perturbations dans les champs qui existent entre les particules réelles et ont des propriétés différentes de leurs homologues réels.
Dans cette expérience, lorsque les ions se frôlent, leurs nuages de photons virtuels interagissent et certains d’entre eux se comportent comme s’ils étaient réels, c’est-à-dire qu’ils agissent comme des particules de matière.
Ces photons réels sont entrés en collision et ont produit des paires électron-positon (matière et antimatière), qui ont été détectées par le détecteur STAR du RHIC. Les scientifiques ont analysé plus de 6 000 paires de ces particules et vérifié qu’elles coïncidaient avec les prédictions théoriques de la Effet Breit-Wheeler soit Production de paires Breit-Wheelerle mécanisme le plus simple par lequel la lumière pure peut être transformée en matière.
nouvelle expérience
Maintenant, une autre équipe de chercheurs de l’Université d’Osaka et de l’Université de Californie à San Diego a simuler les conditions qui permettent les collisions photon-photon, en utilisant uniquement des lasers. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
Les chercheurs ont montré qu’en interagissant avec les champs électromagnétiques intenses du laser, le plasma dense peut s’auto-organiser pour former un collisionneur photon-photon.
Ce collisionneur contient une population dense de rayons gamma qui, lorsqu’ils entrent en collision, produisent des paires électron-positon, c’est-à-dire de la matière et de l’antimatière. Les positrons sont accélérés par un champ électrique du plasma créé par le laser, résultant en un faisceau de positrons.
Il s’agit de la première méthode proposée pour accélérer les positrons du processus linéaire de Breit-Wheeler dans des conditions relativistes. Les chercheurs pensent que leur modèle est faisable expérimentalement et espèrent pouvoir le mettre en œuvre dans le monde réel.
implications profondes
Ces découvertes sont une preuve supplémentaire de la validité de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, qui établit la relation entre l’énergie et la masse. Ils sont aussi une confirmation expérimentale d’une prédiction théorique non vérifiée depuis près de 90 ans.
De plus, ils ouvrent la possibilité d’étudier d’autres processus physiques liés à la création de matière à partir de la lumière, comme la production d’autres particules plus lourdes ou le rôle des champs magnétiques.
Ces types d’expériences nous aident également à mieux comprendre ce qui s’est passé dans les premiers instants de l’univers, lorsqu’il y avait une grande densité d’énergie et que les premières particules de matière se sont formées.
Les références
Mesure de l’impulsion e+e− et des distributions angulaires à partir de collisions de photons polarisés linéairement. Adam et al. (Collaboration STAR). Phys Rev. Lett. 127, 052302 ; 27 juillet 2021. DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.052302
Génération et accélération de positrons dans un collisionneur de photons auto-organisé activé par une impulsion laser ultra-intense. K.Sugimoto et al. Phys Rev. Lett. 131, 065102 ; 9 août 2023. DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.065102