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Un canon à positrons sur une paillasse pour étudier les trous noirs

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Une équipe de chercheurs de l'université du Michigan a construit un générateur de positrons qui tient sur une paillasse en utilisant le laser Hercules. Les paquets de particules produits sont presque aussi denses que ceux de positrons autrefois utilisés au Cern. Ils permettent de simuler les jets d'antimatière des pulsars et des trous noirs.

Une vue de la galaxie Centaurus A en fausses couleurs dans le domaine des rayons X. Elle contient un trou noir supermassif émettant deux jets contenant de l'antimatière sous forme de positrons. © Nasa

Pour le moment, le LHC  n'a pas permis de concrétiser les espoirs des physiciens des hautes énergies. Bien sûr, le boson de Higgs a bel et bien été découvert, mais sa mise en évidence ne s'accompagne d'aucun signe d'une nouvelle physique. On n'est finalement guère plus avancé dans la quête des lois fondamentales de la nature que les chercheurs du milieu des années 1970. Il faudrait monter à des énergies un peu plus hautes pour espérer qu'un miracle se produise.

Malheureusement, cela implique des machines plus grandes et plus onéreuses, alors que l'économie mondiale ne se porte pas bien. Ce qui n'est pas pour rendre optimistes les professionnels de la physique des hautes énergies. En ce moment, on parle donc de plus en plus de la voie de recherche basée sur la technique de l'accélération laser-plasma, qui permettrait de miniaturiser des accélérateurs de particules en tout genre, et pas seulement des machines comme le LHC.

Schéma de principe de la production des positrons (violet) à partir de photons gamma (jaune) au voisinage d'un noyau d'or. Ces photons gamma sont eux-mêmes produits par freinage d'électrons relativistes issus du plasma généré par un faisceau laser tombant sur une cible en or. © Kwei Yu Chu

Usines à antimatière avec des lasers

Un groupe de chercheurs de l'université du Michigan vient de publier un article sur arxiv, dans lequel les scientifiques relatent leur dernier succès dans cette direction. Il s'agit d'une sorte de canon à positrons qui tient sur une paillasse et qui utilise les faisceaux provenant du laser Hercules.

Ils ne sont pas les premiers à réaliser une source de positrons en utilisant un laser. Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) l'ont déjà fait voilà des années avec le laser Titan, dont les faisceaux étaient envoyés sur une petite cible en or. Le premier effet de ces faisceaux était d'arracher des électrons aux atomes de la cible pour produire un plasma avec des électrons accélérés à de très grandes vitesses. En passant dans le champ électrostatique des noyaux d'or, ces électrons perdaient de l'énergie selon le processus bien connu dit de Bethe-Heitler. Ces pertes d'énergie se faisant sous la forme de photons gamma, ces derniers, toujours au voisinage des noyaux d'or, pouvaient se convertir en paires d'électron-positron.

Schéma du canon à positrons des chercheurs de l'université du Michigan, utilisant un faisceau laser pour produire d'abord des électrons relativistes ultrarapides, puis de l'antimatière dans une cible (solid target). Les paires d'électrons (e-) et de positrons (e+) sont séparées en deux faisceaux distincts par un champ magnétique de 0,8 tesla. © Université du Michigan

Simulateur des jets d'antimatière des trous noirs

Les chercheurs de l'université du Michigan utilisent d'abord comme cible un gaz, l'hélium. Comme dans le cas des physiciens du LLNL, le faisceau laser traversant ce gaz produit des électrons relativistes. Ce faisceau de particules secondaires est alors envoyé sur un dispositif tenant sur une paillasse et contenant une plaque de métal recouverte de Téflon. Divers métaux ont été utilisés, comme le plomb, mais à chaque fois, le principe de la production des positrons est le même que celui mis en pratique avec la cible en or du LLNL.

Ce genre de générateur de positrons compact est bien sûr intéressant pour des collisionneurs d'électrons et de positrons, comme ceux envisagés avec l'ILC et le Lep3. Mais ce qui fait aussi tout l'intérêt de cette machine, c'est que les faisceaux de positrons qu'elle produit ont des caractéristiques qui les font ressembler aux jets de particules d'antimatière produits par les pulsars et les trous noirs. Voilà de quoi mieux comprendre l'astrophysique de ces astres compacts, ainsi que les caractéristiques des flux de positrons dans les rayons cosmiques, comme ceux que mesure AMS-02.

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