Il y a 80 ans, le physicien d’origine russe Gregory Breit et son collègue états-unien John Wheeler prédisaient que de la matière pouvait être créée à partir de collisions dans un gaz de photons pur. Les physiciens ont vérifié directement en laboratoire ce phénomène, qui a dû intervenir pendant les premières secondes de l’existence de l’univers observable.

Il y a presque 115 ans, Einstein publiait un très court article dans lequel il établissait que selon sa théorie de la relativité restreinte, la lumière pouvait transmettre l’inertie de la matière, ce qui en terme moderne implique qu’une énergie est équivalente à une masse. Son raisonnement aboutissait donc à la célèbre formule E=mc2. On peut trouver cet article, et bien d’autres concernant l’essor aussi bien de la théorie de la relativité restreinte que de celle de la relativité générale, dans un célèbre ouvrage publié par Dover : The Principle Of Relativity.

On pouvait donc penser que l’on pouvait créer de la lumière à partir de la masse et inversement.

Dans le premier cas, des physiciens comme Arthur Eddington et Jean Perrin ont rapidement soupçonné que c’était là la clé de l’énergie du Soleil. Ainsi, dès 1919 puis en 1921, dans un premier article intitulé Matière et Lumière, Perrin précise cette idée en proposant que le Soleil et les autres étoiles brillaient en faisant fusionner des atomes d’hydrogène. Eddington aboutit presque au même moment aux mêmes conclusions, conforté dans ses idées par les expériences de spectrométrie de masse de son compatriote britannique, le prix Nobel de chimie Francis Aston.

Les développements de la théorie quantique des champs à la fin des années 1920 et au début des années 1930 vont permettre de montrer que le second processus, la création de la matière à partir de la lumière, est aussi valable. Une version spectaculaire de ce processus est prédite en 1934 par Gregory Breit et John Wheeler, la production de paires électron-positron par collision de photons et, comme Futura l’expliquait dans le précédent article ci-dessous, ce processus a dû se produire pendant le Big Bang.

Une présentation du Brookhaven National Laboratory et des recherches que l’on y mène. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Brookhaven Lab

Des collisions d’ions lourds pour reproduire le Big Bang

Aujourd’hui, des membres du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis, travaillant avec le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) et son détecteur Star (pour Solenoidal Tracker au RHIC) ont publié un article disponible en accès libre sur arXiv dans lequel ils annoncent qu’ils ont vérifié concrètement les prédictions de Breit et Wheeler en utilisant une stratégie qu’ils avaient d’ailleurs esquissée.

À l’origine, l’objectif scientifique principal de Star était d’étudier la formation et les caractéristiques du plasma quark-gluon (QGP), aussi appelé quagma, et qui a dû se former pendant le Big Bang et être à l’origine des protons et des neutrons de l’Univers qui seraient en quelque sorte des gouttes de liquide refroidi provenant de ce plasma.

Pour les produire les physiciens accélèrent des ions lourds et en particulier des ions d’or presque à la vitesse de la lumière pour les faire entrer en collision. Parmi les divers processus générant de la lumière et d’autres particules dans ces collisions, les physiciens se sont rendu compte qu’il y avait un signal exploitable dans les collisions d’ions d’or allant à 99,995 % de la vitesse de la lumière, signal démontrant que le processus de Breit et Wheeler était réel.

En effet, ces ions une fois accélérés s’entourent chacun d’une sorte de nuage de photons, et quand ces ions passent suffisamment proche l’un de l’autre il se produit des collisions entre les paires de photons selon exactement les calculs des deux physiciens.

Ce signal a effectivement été observé dans Star.

Big Bang : la création de matière à partir de lumière au labo

Article de Laurent Sacco publié le 22/05/2014

Il y a 80 ans, le physicien d’origine russe Gregory Breit et son collègue états-unien John Wheeler prédisaient que de la matière pouvait être créée à partir de collisions dans un gaz de photons pur. Personne n’a encore vérifié directement en laboratoire ce phénomène, qui a dû intervenir pendant les premières secondes de l’existence de l’univers observable. Un groupe de physiciens pense avoir finalement trouvé un moyen pour que les expérimentateurs puissent désormais l’éprouver avec la technologie du XXIe siècle.

En 1950, le grand astrophysicien japonais Chushiro Hayashi découvre et corrige une faille dans les raisonnements de George Gamow et Ralph Alpher publiés dans un célèbre article en 1948, aujourd’hui connu sous le nom de « αβγ ». Il concernait la production des éléments au moment du Big Bang à partir d’un gaz de neutrons très dense se désintégrant rapidement par radioactivité bêta en protons, électrons et antineutrinos baignant dans un gaz de photons. Hayashi montre que ses deux collègues (la présence de Hans Bethe dans la liste des auteurs de cet article n’était qu’une manifestation de la propension à l’humour de Gamow, il s’agissait d’un jeu de mots avec les lettres grecques) ne tenaient pas compte d’un processus prédit en 1934 par Gregory Breit et John Wheeler, la production de paires électron-positron par collision de photons.

Remarquablement, alors que les processus de synthèse des noyaux légers pendant le Big Bang par des combinaisons de captures de neutrons et de protons ont été largement reproduits en laboratoire, les prédictions de Breit et Wheeler concernant la création de particules de matière à partir de la lumière n’ont jamais pu être testées directement par des expériences. Cela ne signifie pas que l’on a de véritable raison de douter de leur validité. En effet, elles découlent de la théorie physique la plus précise et la mieux vérifiée que l’Homme connaisse, l’électrodynamique quantique, encore appelée QED (l’acronyme de quantum electrodynamics en anglais). Il existe différents processus de création et d’annihilation faisant intervenir des électrons, des positrons, des photons et des noyaux que l’on sait parfaitement décrire dans son cadre avec les fameux diagrammes de Feynman, et qui ont été observés expérimentalement.

De l’antimatière à partir de la lumière

L’un de ces processus est la création d’une paire positron-électron à partir d’un photon dans le voisinage d’un noyau. C’est le fameux processus de Bethe-Heitler. On sait donc qu’il est bien possible de créer de la matière à partir de la lumière, mais ce qui distingue le processus de Breit-Wheeler de celui de Bethe-Heitler, c’est que le premier peut se produire dans un espace initialement vide de matière, alors que le second nécessite la présence de particules chargées. Jusqu’à aujourd’hui donc, et comme le pensaient Breit et Wheeler, la réalisation et l’observation sur Terre de la transformation d’une paire de photons entrant en collision dans le vide en une paire de particules chargées comme un électron et un positron sont restées trop difficiles pour les expérimentateurs.

Mais un article publié récemment dans Nature Photonics par un groupe de physiciens de l’Imperial College London suggère qu’elle est peut-être à portée de main, si l’on s’y prend correctement. Les chercheurs étudiaient la physique des plasmas dans le cadre de leur recherches sur la fusion contrôlée lorsqu’ils ont découvert par hasard, et à leur grande surprise, un protocole expérimental très prometteur pour observer la création de paires de Breit-Wheeler (attention à ne pas confondre la section efficace de Breit-Wheeler pour cette production avec la distribution de Breit-Wigner, qui désigne complètement autre chose).

Collisionneur de photons dans un hohlraum

Voici la recette. Il faut d’abord commencer par générer un flux de rayons gamma intense. Pour cela, un faisceau laser intense est utilisé pour accélérer des électrons presque à la vitesse de la lumière. Ces électrons, possédant une énergie de 2 GeV et que l’on qualifie d’ultrarelativistes, constituent un faisceau dirigé sur une cible fixe en or d’environ 5 mm de diamètre. En passant près des noyaux d’or, les électrons sont freinés par le champ électrostatique de ces noyaux et perdent en conséquence de l’énergie sous forme de photons gamma, selon un processus en QED que l’on appelle bremsstrahlung (ce qui signifie « rayonnement de freinage » en allemand).

Des champs magnétiques dévient ensuite les électrons et les positrons qui pourraient avoir été créés par effet Bethe-Heitler à partir des photons gamma au voisinage des noyaux d’or pour ne plus laisser qu’un faisceau de photons gamma presque pur en sortie du dispositif. Ce faisceau entre alors dans un hohlraum rempli d’un bain de photons thermiques de plus basse énergie, constituant un rayonnement de corps noir. Rappelons qu’un hohlraum (mot allemand désignant généralement une « zone creuse » ou une cavité) est un dispositif qui a comme ancêtres les cavités utilisées pour faire des expériences sur le rayonnement du corps noir, mais que l’on emploie aussi de nos jours pour des expériences sur la fusion inertielle.

D’après les calculs des chercheurs, une seule impulsion laser accélérant des électrons à 4 GeV devrait produire environ 100.000 positrons dans le hohlraum. L’expérience serait réalisable rapidement avec les moyens technologiques modernes, et devrait permettre de vérifier que l’on comprend bien ce qui s’est passé dans l’univers primordial quelques secondes à quelques minutes après le temps de Planck. On devrait aussi pouvoir mieux comprendre la pertinence de certains modèles avancés pour expliquer les sursauts gamma ou des supernovae.

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Source [ Fututa science ]