Des physiciens développent une méthode pour produire de l’antimatière à partir de la lumière

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Créer de l’antimatière artificiellement en dehors des accélérateurs de particules est théoriquement possible. En effet, le processus de Breit-Wheeler décrit comment la collision de deux photons gamma de haute énergie peut produire une paire électron-positron. Cependant, un tel mécanisme nécessite des lasers à photons gamma, et ceux-ci nous sont encore technologiquement hors de portée. Cependant, une équipe de physiciens a récemment démontré qu’il était possible de contourner ce problème en développant une solution expérimentale alternative.

Une équipe de physiciens a montré que des lasers à haute intensité peuvent être utilisés pour générer des collisions de photons gamma — les longueurs d’onde de la lumière les plus énergétiques — pour produire des paires électron-positron. Cela pourrait aider à comprendre les environnements autour de certains des objets les plus extrêmes de l’Univers : les étoiles à neutrons.

Le processus de création d’une paire de particules matière-antimatière — un électron et un positron — à partir de photons s’appelle le processus de Breit-Wheeler, et il est extrêmement difficile à réaliser expérimentalement. La probabilité que cela se produise lorsque deux photons entrent en collision est très faible. Il faut des photons de très haute énergie, ou rayons gamma, et en très grand nombre, pour maximiser les chances d’observation.

Produire de l’antimatière à partir de la collision de photons gamma

Nous n’avons pas encore la capacité de construire un laser à rayons gamma, de sorte que le processus de Breit-Wheeler photon-photon reste actuellement expérimentalement inachevé. Mais une équipe de physiciens dirigée par Yutong He de l’Université de Californie a proposé une nouvelle solution de contournement qui, selon leurs simulations, pourrait réellement fonctionner.

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a) Deux lasers à haute énergie accélèrent un nuage dense d’électrons ; b) les nuages électroniques entrent en collision ; c) les positrons résultant de la collision (points colorés) sont piégés dans un champ magnétique. © Yutong He et al. 2021

Elle se compose d’un bloc de plastique, sculpté d’un motif de canaux entrecroisés à l’échelle micrométrique. Deux lasers puissants, un de chaque côté du bloc, tirent de puissantes impulsions sur cette cible. « Lorsque les impulsions laser pénètrent dans l’échantillon, chacune d’elles accélère un nuage d’électrons extrêmement rapides. Ces deux nuages ​​d’électrons se précipitent alors l’un vers l’autre avec toute leur force, interagissant avec le laser se propageant dans la direction opposée », explique le physicien Toma Toncian du laboratoire de recherche Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en Allemagne.

La collision qui en résulte est si énergique qu’elle produit un nuage de photons gamma. Ces photons gamma devraient entrer en collision les uns avec les autres pour produire des paires électron-positon, conformément à la théorie de la relativité générale d’Einstein. Plus intéressant encore, ce processus devrait générer de puissants champs magnétiques qui collimatent les positrons (plutôt que les électrons) en faisceaux fortement accélérés sous la forme d’un jet. À une distance de seulement 50 micromètres, les chercheurs ont découvert que l’accélération devrait augmenter l’énergie des particules à un gigaélectronvolt.

Mieux comprendre l’environnement des étoiles à neutrons

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À l’aide d’une simulation informatique complexe, les chercheurs ont testé leur modèle et ont constaté qu’il devrait fonctionner, même en utilisant des lasers moins puissants. Non seulement la collimation et l’accélération du faisceau de positons amélioreraient le taux de détection des particules, mais elles présentent une forte similitude avec les puissants jets de particules collimatés émis par des étoiles à neutrons fortement magnétiques et à rotation rapide appelées pulsars.

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Les physiciens pensent que les processus qui se déroulent à proximité de ces étoiles pourraient entraîner des nuages ​​de rayonnement gamma, similaires à l’expérience qu’ils proposent. « De tels processus sont susceptibles de se dérouler, entre autres, dans la magnétosphère des pulsars. Avec notre nouveau concept, de tels phénomènes pourraient être simulés en laboratoire, au moins dans une certaine mesure, ce qui nous permettrait ensuite de mieux les comprendre », indique le physicien Alexey Arefiev de l’UC San Diego.

Des tests préliminaires à l’installation européenne de lasers à rayons X XFEL devraient révéler si un champ magnétique est généré ou non, comme prévu par les simulations. En fin de compte, l’équipe espère que leur expérience pourra être réalisée dans le cadre de l’expérience Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics en Roumanie, qui dispose de deux puissants lasers à impulsions courtes et de faisceaux de rayons gamma.

Sources : Communications Physics

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