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Les physiciens ont compris comment nous pourrions faire de l’antimatière à partir de la lumière

Image montrant des lasers à haute intensité à contre-propagation produisant un rayonnement gamma. (Toma Toncian)

Une nouvelle étude menée par des scientifiques a démontré comment les chercheurs pourraient être en mesure de créer un jet accéléré d’antimatière à partir de la lumière.

Une équipe de physiciens a montré que des lasers à haute intensité peuvent être utilisés pour générer des photons gamma en collision – les longueurs d’onde les plus énergétiques de la lumière – afin de produire des paires électron-positron. Selon eux, cela pourrait nous aider à comprendre l’environnement de certains des objets les plus extrêmes de l’Univers : les étoiles à neutrons.

Le processus de création d’une paire de particules matière-antimatière – un électron et un positron – à partir de photons est appelé processus de Breit-Wheeler, et il est extrêmement difficile à réaliser expérimentalement.

La probabilité qu’il se produise lorsque deux photons entrent en collision est très faible. Il faut des photons de très haute énergie, ou des rayons gamma, et beaucoup d’entre eux, afin de maximiser les chances d’observation.

Nous n’avons pas encore la capacité de construire un laser à rayons gamma, de sorte que le processus Breit-Wheeler photon-photon reste actuellement inachevé expérimentalement. Mais une équipe de physiciens dirigée par Yutong He, de l’université de Californie à San Diego (UC San Diego), a proposé une nouvelle solution de contournement qui, d’après leurs simulations, pourrait effectivement fonctionner.

Il s’agit d’un bloc de plastique sculpté d’un motif de canaux entrecroisés à l’échelle du micromètre. Deux puissants lasers, situés de part et d’autre du bloc, envoient de fortes impulsions sur cette cible.

« Lorsque les impulsions laser pénètrent dans l’échantillon, chacune d’elles accélère un nuage d’électrons extrêmement rapides », explique le physicien Toma Toncian, du laboratoire de recherche Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, en Allemagne.

« Ces deux nuages d’électrons foncent alors l’un vers l’autre avec toute leur force, en interagissant avec le laser qui se propage dans la direction opposée ».

La collision qui en résulte est si énergique qu’elle produit un nuage de photons gamma. Selon les chercheurs, ces photons gamma devraient entrer en collision les uns avec les autres pour produire des paires électron-positron, conformément à la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Ce qui est encore plus excitant, c’est que ce processus devrait générer de puissants champs magnétiques qui collimateraient les positrons (plutôt que les électrons) en faisceaux fortement accélérés, en forme de jet. Les chercheurs ont découvert que, sur une distance de seulement 50 micromètres, l’accélération devrait porter l’énergie des particules à un gigaelectronvolt.

À l’aide d’une simulation informatique complexe, les chercheurs ont testé leur modèle et constaté qu’il devrait fonctionner, même en utilisant des lasers moins puissants que les propositions précédentes.

Non seulement la collimation et l’accélération du faisceau de positrons amélioreraient le taux de détection des particules, mais elles présentent une forte similitude avec les puissants jets de particules collimatés émis par des étoiles à neutrons fortement magnétiques et en rotation rapide, appelées pulsars.

Les scientifiques pensent que les processus qui se déroulent à proximité de ces étoiles pourraient donner lieu à des nuages de rayonnement gamma, similaires à l’expérience qu’ils proposent.

« De tels processus sont susceptibles de se produire, entre autres, dans la magnétosphère des pulsars », a déclaré le physicien Alexey Arefiev de l’UC San Diego.

« Avec notre nouveau concept, de tels phénomènes pourraient être simulés en laboratoire, du moins dans une certaine mesure, ce qui nous permettrait ensuite de mieux les comprendre. »

Des tests préliminaires effectués à l’installation laser à rayons X européenne XFEL devraient révéler si un champ magnétique est généré ou non, comme le prévoient les simulations.

En fin de compte, l’équipe espère que son expérience pourra être réalisée au centre de physique nucléaire de l’infrastructure de lumière extrême, récemment ouvert et très avancé, en Roumanie, qui dispose de deux puissants lasers à impulsions courtes et de faisceaux de rayons gamma.

L’article a été publié dans Communications Physics.

Adaptation Terra Projects

Source : https://www.sciencealert.com/

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