Des physiciens produisent de la matière et de l’antimatière à partir de collisions de photons

Les physiciens de la collaboration STAR au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Laboratory ont apporté des preuves définitives de deux phénomènes prédits il y a plus de huit décennies : la production de matière et d’antimatière à partir de collisions de photons et la déformation de la lumière en fonction de la polarisation (biréfringence) dans le vide.

Deux ions d'or (en rouge) se déplacent en direction opposée à 99,995 % de la vitesse de la lumière (v, pour vitesse, = environ c, la vitesse de la lumière). Lorsque les ions se croisent sans entrer en collision, deux photons (γ) provenant du nuage électromagnétique entourant les ions peuvent interagir entre eux pour créer une paire matière-antimatière : un électron (e-) et un positron (e+). Crédit image : Brookhaven National Laboratory.

Deux ions d’or (rouge) se déplacent en direction opposée à 99,995% de la vitesse de la lumière (v, pour velocity, = approximativement c, la vitesse de la lumière). Lorsque les ions se croisent sans entrer en collision, deux photons (γ) provenant du nuage électromagnétique entourant les ions peuvent interagir entre eux pour créer une paire matière-antimatière : un électron (e-) et un positron (e+). Crédit image : Brookhaven National Laboratory.

Lorsqu’un électron au repos s’annihile avec son homologue antimatière, un positron, le processus entraîne l’émission de deux photons.

En 1934, les physiciens Gregory Breit et John A. Wheeler ont étudié la théorie du processus inverse de “collision de deux quanta de lumière” pour créer des paires électron-positron.

Dans leur étude originale, les chercheurs ont réalisé la quasi-impossibilité de réaliser des collisions de rayons gamma dans les expériences terrestres existantes et ont proposé une approche alternative avec des collisions de photons provenant de noyaux hautement chargés se croisant à des vitesses ultra-relativistes.

“Dans leur article, Breit et Wheeler ont déjà compris que c’était presque impossible à réaliser”, a déclaré le Dr Zhangbu Xu, physicien au Brookhaven National Laboratory du DOE et membre de la collaboration STAR.

“Les lasers n’existaient même pas encore ! Mais Breit et Wheeler ont proposé une alternative : l’accélération des ions lourds. Et leur alternative est exactement ce que nous faisons au RHIC”.

Un ion or, avec 79 protons, porte une puissante charge positive. L’accélération d’un tel ion lourd chargé à des vitesses très élevées génère un puissant champ magnétique qui s’enroule en spirale autour de la particule en mouvement – comme le courant qui circule dans un fil.

“Si la vitesse est suffisamment élevée, la force du champ magnétique circulaire peut être égale à la force du champ électrique perpendiculaire”, a déclaré le Dr Xu.

“Et cet arrangement de champs électriques et magnétiques perpendiculaires de force égale est exactement ce qu’est un photon, une particule quantifiée de lumière.”

“Ainsi, lorsque les ions se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, il y a un tas de photons qui entourent le noyau d’or, voyageant avec lui comme un nuage.”

Au RHIC, les scientifiques accélèrent les ions d’or (Au) à 99,995% de la vitesse de la lumière dans deux anneaux accélérateurs.

“Nous avons deux nuages de photons se déplaçant dans des directions opposées avec suffisamment d’énergie et d’intensité pour que, lorsque les deux ions se frôlent sans entrer en collision, ces champs de photons puissent interagir”, a déclaré le Dr Xu.

L’équipe STAR a observé un total de 6 085 paires électron-positron exclusives dans des collisions Au+Au au RHIC.

“Nos résultats fournissent des preuves claires de la création directe, en une seule étape, de paires matière-antimatière à partir de collisions de lumière, comme l’avaient prédit Breit et Wheeler”, a déclaré le Dr Daniel Brandenburg, physicien au Brookhaven National Laboratory du DOE et membre de la collaboration STAR.

La capacité de STAR à mesurer les minuscules déviations des électrons et des positrons produites presque dos à dos dans ces événements a également permis aux physiciens d’étudier comment les particules de lumière interagissent avec les puissants champs magnétiques générés par les ions accélérés.

“Le nuage de photons entourant les ions d’or dans l’un des faisceaux du RHIC est projeté dans le puissant champ magnétique circulaire produit par les ions accélérés dans l’autre faisceau d’or”, a déclaré le Dr Chi Yang, physicien à l’Université de Shandong et membre de la collaboration STAR.

“L’observation de la distribution des particules qui sortent nous indique comment la lumière polarisée interagit avec le champ magnétique.”

Les physiciens allemands Werner Heisenberg et Hans Heinrich Euler en 1936, et le physicien américain John Toll dans les années 1950, ont prédit qu’un vide d’espace vide pouvait être polarisé par un puissant champ magnétique et qu’un tel vide polarisé devait dévier les trajectoires des photons en fonction de la polarisation des photons.

Toll a également détaillé comment l’absorption de la lumière par unLe champ magnétique dépend de la polarisation et de son lien avec l’indice de réfraction de la lumière dans le vide.

Au RHIC, les auteurs ont mesuré comment la polarisation de la lumière affectait l’absorption de la lumière par le champ magnétique.

“C’est similaire à la façon dont les lunettes de soleil polarisées bloquent le passage de certains rayons s’ils ne correspondent pas à la polarisation des lentilles”, a déclaré le Dr Yang.

“Lorsque nous examinons les produits issus des interactions photon-photon au RHIC, nous constatons que la distribution angulaire des produits dépend de l’angle de polarisation de la lumière.”

“Cela indique que l’absorption (ou le passage) de la lumière dépend de sa polarisation.”

“C’est la première observation expérimentale terrestre que la polarisation affecte les interactions de la lumière avec le champ magnétique dans le vide – la biréfringence du vide prédite en 1936.”

L’article de l’équipe a été publié dans le journal Physical Review Letters.

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