Effet Vavilov-Tcherenkov : il peut aussi se produire dans le vide quantique

tcherenkov vide quantique
| iStock/Pobytov

L’effet Vavilov-Tcherenkov est le phénomène impliquant l’émission d’un flash lumineux lorsqu’une particule chargée se déplace plus rapidement que la lumière dans un milieu donné. Pendant longtemps, les physiciens ont donc pensé que ce phénomène ne pouvait se produire dans le vide. Mais récemment, des physiciens écossais ont montré que les particules virtuelles agitant le vide quantique pouvaient suffisamment ralentir les photons afin qu’un effet Tcherenkov apparaisse.

Selon une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l’Université de Strathclyde et publiée dans la revue Physical Review Letters, les particules voyageant dans l’espace peuvent émettre des flash de rayons gamma brillants en interagissant avec le vide quantique.

On sait depuis longtemps que les particules chargées, telles que les électrons et les protons, produisent l’équivalent électromagnétique d’une onde de choc lorsque leur vitesse dépasse celle des photons dans le milieu environnant. Cet effet, appelé émission Tcherenkov, est responsable de la lueur bleue caractéristique de l’eau dans un réacteur nucléaire et est utilisé pour détecter des particules sur le grand collisionneur de hadrons du CERN.

Un effet Tcherenkov produit par le vide quantique

Selon Einstein, rien ne peut voyager plus vite que la lumière dans le vide. De ce fait, on suppose généralement que l’émission Tcherenkov ne peut pas se produire dans le vide. Mais selon la mécanique quantique, le vide lui-même est rempli de particules virtuelles, qui apparaissent et disparaissent en permanence selon le principe d’indétermination d’Heisenberg.

effet vavilov tcherenkov
Cliché montrant un flash lumineux bleu produit par effet Tchrenkov dans le bassin d’eau entourant le réacteur nucléaire de l’Advanced Test Reactor. Crédits : Argonne National Laboratory

Ces particules ne sont généralement pas observables mais, en présence de champs électriques et magnétiques extrêmement puissants, elles peuvent transformer le vide en un milieu optique où la vitesse de la lumière est ralentie de sorte que les particules chargées à haute vitesse puissent émettre des rayons gamma Tcherenkov.

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Un groupe de chercheurs en physique à Strathclyde a découvert que, dans des conditions extrêmes, telles que celles des lasers les plus puissants du monde, ou dans les immenses champs magnétiques autour des étoiles à neutrons, ce vide polarisé peut ralentir les rayons gamma juste assez pour produire une émission Tcherenkov.

pulsar etoile neutron
Le champ magnétique des pulsars est si puissant qu’il peut polariser le vide quantique. Dès lors, les rayons cosmiques traversant ce vide quantique peuvent être à l’origine d’un rayonnement Tcherenkov dominant les autres types de rayonnement. Crédits : ESO/L. Calçada

Cela signifie que les rayons cosmiques de haute énergie traversant les champs magnétiques entourant les pulsars devraient principalement émettre un rayonnement Tcherenkov, largement supérieur à d’autres types de rayonnements tels que le rayonnement synchrotron.

Mieux comprendre les interactions entre laser et plasma

Ce projet, dirigé par le professeur Dino Jaroszynski, avait pour objectif d’étudier une série de phénomènes fondamentaux intervenant dans les interactions laser-plasma et ayant des applications dans l’industrie, la sécurité et la médecine. « Le projet « Lab in a Bubble » offre une occasion unique d’utiliser des lasers de haute puissance pour faire progresser les connaissances fondamentales et les technologies de pointe au profit de la société » déclare Jaroszynski.

Sur le même sujet : La vitesse de la lumière dans le vide est-elle influencée par les fluctuations quantiques ?

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« Nous prenons pour acquis que rien ne peut sortir d’un espace vide constitué de vide pur. Mais ce n’est pas tout à fait vrai. La physique quantique moderne dit le contraire, et il y a des surprises intrigantes » ajoute le physicien Adam Noble.

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« Il existe un énorme effort international pour faire avancer les limites de la technologie laser. Si cela est motivé par les nombreuses applications pratiques des lasers de forte puissance, son succès dépendra de la compréhension de tous les processus fondamentaux impliqués dans les interactions laser-matière. Ces résultats révèlent un nouvel aspect de ces processus ».

« L’électrodynamique quantique est l’une des théories les mieux testées en physique, avec un accord extraordinaire entre les prédictions théoriques et les données expérimentales. Mais cet accord n’a été vérifié que dans le régime de champ faible. Le rayonnement Tcherenkov dans le vide offre un nouveau moyen de vérifier s’il survit dans la limite du champ fort » conclut Alexander McLeod.

Source : Physical Review Letters

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