E=mc² prend vie : simulation de la création de matière à partir de la lumière laser

par Klaus Müller
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Photon-Photon Collisions

Les chercheurs de l'Université d'Osaka ont mené des simulations pour illustrer la possibilité de créer de la matière à partir de la lumière laser, un développement important dans le domaine de la physique quantique. Ces progrès ont le potentiel de fournir un aperçu de la composition de l’univers et de découvrir de nouveaux principes de physique.

L'équipe, dirigée par des scientifiques de l'Université d'Osaka et de l'UC de San Diego, a utilisé des simulations pour présenter la génération expérimentale de matière à partir de la lumière, un concept profondément ancré dans la physique quantique. Bien que des objets astronomiques comme les pulsars réalisent ce phénomène, sa reproduction en laboratoire reste difficile à réaliser. Cependant, parvenir à une telle génération de matière à partir de la lumière ouvrirait la porte à des tests approfondis des théories fondamentales de la physique quantique et à notre compréhension de la structure fondamentale de l'univers.

Leur étude, récemment publiée dans Physical Review Letters, détaille la simulation des conditions dans lesquelles se produisent des collisions photon-photon à l’aide de lasers. La simplicité de la configuration expérimentale, associée à sa compatibilité avec les intensités laser actuellement disponibles, la positionne comme un candidat prometteur pour une mise en œuvre pratique dans un avenir proche.

Les collisions photon-photon, considérées comme un mécanisme fondamental de la création de matière dans l'univers, proviennent de la célèbre équation d'Einstein, E=mc². Les chercheurs ont déjà généré indirectement de la matière à partir de la lumière en accélérant des ions métalliques, tels que l’or, à des vitesses extrêmement élevées, entraînant la production de matière et d’antimatière lors de leur interaction. Cependant, réaliser une génération de matière expérimentale en utilisant uniquement la lumière laser s'est avéré difficile en raison de la puissance exceptionnellement élevée des lasers requis. Les chercheurs se sont donc lancés dans la simulation de ce processus afin d’ouvrir la voie à des percées expérimentales.

Leurs simulations révèlent que, lorsqu’il est exposé aux champs électromagnétiques intenses des lasers, un plasma dense peut s’auto-organiser en un collisionneur photon-photon. Ce collisionneur contient une forte concentration de rayons gamma, dépassant de dix fois la densité des électrons du plasma et possédant des niveaux d'énergie un million de fois supérieurs à ceux des photons du laser.

Dans le collisionneur photon-photon, les collisions entre photons produisent des paires électron-positon, les positons étant ensuite accélérés par un champ électrique plasma généré par le laser. Cela conduit à la génération d’un faisceau de positons, une réalisation importante en soi.

Le professeur Arefiev, co-auteur de l'UCSD, souligne que cette simulation représente le premier exemple d'accélération de positons via le processus linéaire de Breit-Wheeler dans des conditions relativistes, soulignant sa faisabilité expérimentale.

Le Dr Vyacheslav Lukin, directeur de programme à la National Science Foundation des États-Unis, qui a soutenu la recherche, souligne le potentiel de ces travaux pour explorer les mystères de l'univers en laboratoire, en particulier dans des installations laser de haute puissance.

Même si cette recherche ne nous rapproche peut-être pas encore de la technologie fictive de conversion matière-énergie de Star Trek, elle promet de valider expérimentalement notre compréhension de la composition de l'univers et potentiellement de découvrir des facettes de la physique jusqu'alors inconnues.

Référence : « Génération et accélération de positrons dans un collisionneur de photons auto-organisé activé par une impulsion laser ultraintense » par K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, IL. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev et Y. Sentoku, 9 août 2023, Physical Review Letters. DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.065102

Foire aux questions (FAQ) sur les collisions photon-photon

Quelle est la principale réalisation des chercheurs de l’Université d’Osaka dans cette étude ?

La principale réalisation des chercheurs de l’Université d’Osaka est la simulation de conditions permettant des collisions photon-photon à l’aide de lasers, ouvrant potentiellement la voie à la génération de matière à partir de la lumière en laboratoire.

Pourquoi la génération de matière à partir de la lumière est-elle importante dans le domaine de la physique quantique ?

Générer de la matière à partir de la lumière est important car cela correspond à l’une des prédictions frappantes de la physique quantique. Il offre la possibilité de tester les théories fondamentales sur la composition de l’univers et les principes de la physique quantique.

Quel est le rapport entre les collisions photon-photon et l'équation d'Einstein E=mc² ?

Les collisions photon-photon sont théorisées comme étant un moyen fondamental par lequel la matière est générée, et ce concept est enraciné dans l'équation d'Einstein E=mc², où l'énergie (E) peut être convertie en matière (m).

Quels défis ont entravé la génération de matière expérimentale à partir de la lumière laser dans les laboratoires ?

Le principal défi a été la nécessité de disposer de lasers de très haute puissance. Atteindre l’intensité laser nécessaire à la génération de matière a constitué un obstacle important dans les expériences en laboratoire.

Comment les chercheurs ont-ils surmonté ces défis dans leur étude ?

Les chercheurs ont utilisé des simulations pour démontrer qu’un plasma dense peut s’auto-organiser en collisionneur photon-photon lorsqu’il est exposé à des champs électromagnétiques laser intenses. Ce collisionneur contient une forte concentration de rayons gamma, permettant des collisions photon-photon et la génération de matière.

Quelle est l’importance pratique de cette recherche pour les expériences futures ?

La simplicité de la configuration expérimentale et sa compatibilité avec les intensités laser existantes en font un candidat prometteur pour une future mise en œuvre expérimentale. Cette recherche ouvre la porte à une exploration plus approfondie des mystères de l’univers en laboratoire.

Cette recherche peut-elle conduire à des applications concrètes au-delà de la physique fondamentale ?

Bien qu'elles ne soient pas directement liées à des applications pratiques, ces recherches pourraient contribuer à valider expérimentalement notre compréhension de la composition de l'univers et potentiellement conduire à de nouvelles découvertes en physique. Cependant, il n’a actuellement pas d’applications directes dans le monde réel au-delà de la recherche scientifique fondamentale.

En savoir plus sur les collisions photon-photon

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