Des paires matière-antimatière produites par la collision de la lumière

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| Dreamstine

En 1934, les physiciens Breit et Wheeler postulent que les collisions de photons gamma à haute énergie devraient produire des paires électron-positron. Toutefois, le mécanisme de Breit-Wheeler nécessite une technologie que les humains ne sont pas prêts de posséder : des lasers gamma. Mais les deux auteurs ont tout de même proposé une autre solution : accélérer des ions lourds. C’est ce qu’ont fait des physiciens en utilisant le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC). Et les données issues de l’expérience ont confirmé la création de paires matière-antimatière à partir des collisions de photons.

Si deux photons se percutent assez fort, il est possible de générer de la matière : une paire électron-positon, la conversion de l’énergie de la lumière en masse selon la théorie de la relativité restreinte d’Einstein. C’est ce qu’on appelle le processus Breit-Wheeler, développé pour la première fois par Gregory Breit et John A. Wheeler en 1934.

Mais l’observation directe du phénomène impliquant seulement deux photons est restée insaisissable, principalement parce que les photons doivent être extrêmement énergétiques (c’est-à-dire des rayons gamma) et parce que nous n’avons pas encore la technologie pour construire un laser à rayons gamma. Les physiciens du Laboratoire national de Brookhaven affirment avoir trouvé un moyen de contourner cet obstacle en utilisant le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), ce qui a permis d’observer directement le processus Breit-Wheeler en action.

« Dans leur article, Breit et Wheeler réalisaient déjà que c’était presque impossible à faire. Les lasers n’existaient même pas encore ! Mais Breit et Wheeler ont proposé une alternative : accélérer les ions lourds. Et leur alternative est exactement ce que nous faisons au RHIC », déclare le physicien Zhangbu Xu du Brookhaven Lab. Mais qu’est-ce que les ions accélérés ont à voir avec les collisions de photons ?

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Ions lourds et nuages de photons

Le processus implique, comme le nom du collisionneur l’indique, l’accélération d’ions — des noyaux atomiques dépouillés de leurs électrons. Parce que les électrons ont une charge négative et les protons (à l’intérieur du noyau) ont une charge positive, l’ionisation laisse le noyau avec une charge positive. Plus l’élément est lourd, plus il contient de protons et plus la charge positive de l’ion résultant est forte.

L’équipe a utilisé des ions d’or, qui contiennent 79 protons. Lorsque les ions d’or sont accélérés à des vitesses très élevées, ils génèrent un champ magnétique circulaire qui peut être aussi puissant que le champ électrique perpendiculaire dans le collisionneur. Là où ils se croisent, ces champs égaux peuvent produire des photons.

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Deux ions d’or (Au) (rouge) se déplacent en sens inverse à 99.995% de la vitesse de la lumière (v, pour la vitesse, = environ c, la vitesse de la lumière). Comme les ions se croisent sans entrer en collision, deux photons (γ) du nuage électromagnétique entourant les ions peuvent interagir les uns avec les autres pour créer une paire matière-antimatière : un électron (e-) et un positon (e+). © Brookhaven Lab

« Donc, lorsque les ions se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière, il y a un tas de photons entourant le noyau d’or, voyageant avec lui comme un nuage », explique Xu. Au RHIC, les ions sont accélérés à des vitesses relativistes — celles qui représentent un pourcentage important de la vitesse de la lumière. Dans cette expérience, les ions d’or ont été accélérés à 99.995% de la vitesse de la lumière.

C’est là que la magie opère : lorsque deux ions se ratent, leurs deux nuages ​​de photons peuvent interagir et entrer en collision. Les collisions elles-mêmes ne peuvent pas être détectées, mais les paires électron-positon qui en résultent le peuvent. Cependant, il ne suffit pas non plus de détecter une paire électron-positon. C’est parce que les photons produits par l’interaction électromagnétique sont des photons virtuels, apparaissant et disparaissant presque instantanément.

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Collisions de photons réels et production de paires matière-antimatière

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Pour être un véritable processus Breit-Wheeler, deux photons réels doivent entrer en collision — pas deux photons virtuels, ni un photon virtuel et un photon réel. Aux vitesses relativistes des ions, les particules virtuelles peuvent se comporter comme de vrais photons. Heureusement, il existe un moyen pour les physiciens de déterminer quelles paires électron-positon sont générées par le processus de Breit-Wheeler : les angles entre l’électron et le positon dans la paire générée par la collision.

Chaque type de collision — virtuel-virtuel, virtuel-réel et réel-réel — peut être identifié en fonction de l’angle entre les deux particules produites. Les chercheurs ont donc détecté et analysé les angles de plus de 6000 paires électron-positon générées au cours de leur expérience. Ils ont découvert que les angles correspondaient à des collisions entre de vrais photons : le processus Breit-Wheeler en action.

« Nous avons également mesuré toute l’énergie, les distributions de masse et les nombres quantiques des systèmes. Ils sont cohérents avec les calculs théoriques de ce qui se passerait avec de vrais photons. Nos résultats fournissent des preuves claires de la création directe et en une seule étape de paires matière-antimatière à partir de collisions de lumière, comme prévu à l’origine par Breit et Wheeler », déclare le physicien Daniel Brandenburg du Brookhaven Lab.

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Sources : Physical Review Letters

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