Des chercheurs de l’Université d’Osaka ont simulé des collisions photon-photon avec des lasers, ouvrant potentiellement la voie à la génération de matière à partir de la lumière dans les laboratoires. Ces progrès en physique quantique sont prometteurs pour la compréhension de la composition de l’univers et la découverte d’une nouvelle physique. (Concept de l’artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université d’Osaka et de l’UC San Diego a utilisé des simulations pour démontrer comment on peut produire expérimentalement de la matière uniquement à partir de la lumière, ce qui pourrait à l’avenir aider à tester des théories de longue date sur la composition de l’univers.
L’une des prédictions les plus frappantes de la physique quantique est que la matière peut être générée uniquement à partir de la lumière (c’est-à-dire des photons), et en fait, les corps astronomiques appelés pulsars réussissent cet exploit. La génération directe de matière de cette manière n’a pas encore été réalisée en laboratoire, mais cela permettrait de tester davantage les théories de la physique quantique fondamentale et la composition fondamentale de l’univers.
Dans une étude récemment publiée dans Lettres d’examen physiqueune équipe dirigée par des chercheurs de l’Université d’Osaka a simulé des conditions permettant photon–des collisions de photons, uniquement en utilisant des lasers. La simplicité de configuration et la facilité de mise en œuvre aux intensités laser actuellement disponibles en font un candidat prometteur pour une mise en œuvre expérimentale dans un avenir proche.
Image d’un collisionneur de photons auto-organisé piloté par une impulsion laser intense se propageant dans un plasma. Crédit : Yasuhiko Sentoku
La collision photon-photon est théorisée comme un moyen fondamental par lequel la matière est générée dans l’univers, et elle découle de l’équation bien connue d’Einstein E=mc2. En fait, les chercheurs ont produit indirectement de la matière à partir de la lumière : par accélération à grande vitesse d’ions métalliques tels que l’or les uns dans les autres. À des vitesses aussi élevées, chaque ion est entouré de photons et, en se frôlant, de la matière et de l’antimatière sont produites.
Cependant, il est difficile de produire de la matière expérimentalement dans des laboratoires modernes en utilisant uniquement la lumière laser en raison de la puissance extrêmement élevée des lasers requis. Simuler la manière dont cet exploit pourrait être réalisé en laboratoire pourrait entraîner une percée expérimentale. C’est donc ce que les chercheurs ont décidé de faire.
« Nos simulations démontrent que, lorsqu’ils interagissent avec les champs électromagnétiques intenses du laser, des particules denses plasma peuvent s’auto-organiser pour former un collisionneur photon-photon », explique le Dr Sugimoto, auteur principal de l’étude. « Ce collisionneur contient une population dense de rayons gamma, dix fois plus dense que la densité des électrons du plasma et dont l’énergie est un million de fois supérieure à l’énergie des photons du laser. »
Collisionneur de photons auto-organisé piloté par une impulsion laser intense (a) densité de plasma, (b) canal magnétique, (c) distribution angulaire des photons émis. Crédit : Lettres d’examen physique
Les collisions photon-photon dans le collisionneur produisent des paires électron-positon, et les positons sont accélérés par un champ électrique plasma créé par le laser. Il en résulte un faisceau de positrons.
« Il s’agit de la première simulation d’accélération de positrons issue du processus linéaire de Breit-Wheeler dans des conditions relativistes », explique le professeur Arefiev, co-auteur de l’UCSD. « Nous pensons que notre proposition est réalisable sur le plan expérimental et nous attendons avec impatience sa mise en œuvre dans le monde réel. » Le Dr Vyacheslav Lukin, directeur de programme à la National Science Foundation des États-Unis qui a soutenu les travaux, déclare : « Cette recherche montre une manière potentielle d’explorer les mystères de l’univers en laboratoire. Les possibilités futures des installations laser haute puissance d’aujourd’hui et de demain sont devenues encore plus intrigantes.
Les applications de ce travail à la technologie fictive de conversion matière-énergie de Star Trek ne restent que cela : de la fiction. Néanmoins, ces travaux ont le potentiel de contribuer à confirmer expérimentalement les théories sur la composition de l’univers, ou peut-être même à découvrir une physique jusqu’alors inconnue.
