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Big Bang : la création de matière à partir de lumière au labo

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Il y a 80 ans, le physicien d'origine russe Gregory Breit et son collègue états-unien John Wheeler prédisaient que de la matière pouvait être créée à partir de collisions dans un gaz de photons pur. Personne n'a encore vérifié directement en laboratoire ce phénomène, qui a dû intervenir pendant les premières secondes de l'existence de l'univers observable. Un groupe de physiciens pense avoir finalement trouvé un moyen pour que les expérimentateurs puissent désormais l'éprouver avec la technologie du XXIe siècle.

À gauche, Robert Herman et, à droite, Ralph Alpher. Au centre, une image de George Gamow émergeant d'une bouteille de cointreau représentant l'Ylem, le mélange cosmique initial de protons, de neutrons et d'électrons à partir duquel les éléments chimiques étaient supposés s'être formés dans les articles publiés par ces trois chercheurs sur la théorie du Big Bang. Il s'agit d'un célèbre montage humoristique avec des photos datant de 1949. © AIP

En 1950, le grand astrophysicien japonais Chushiro Hayashi découvre et corrige une faille dans les raisonnements de George Gamow et Ralph Alpher publiés dans un célèbre article en 1948, aujourd'hui connu sous le nom de « αβγ ». Il concernait la production des éléments au moment du Big Bang à partir d'un gaz de neutrons très dense se désintégrant rapidement par radioactivité bêta en protons, électrons et antineutrinos baignant dans un gaz de photons. Hayashi montre que ses deux collègues (la présence de Hans Bethe dans la liste des auteurs de cet article n'était qu'une manifestation de la propension à l'humour de Gamow, il s'agissait d'un jeu de mots avec les lettres grecques) ne tenaient pas compte d'un processus prédit en 1934 par Gregory Breit et John Wheeler, la production de paires électron-positron par collision de photons.

Remarquablement, alors que les processus de synthèse des noyaux légers pendant le Big Bang par des combinaisons de captures de neutrons et de protons ont été largement reproduits en laboratoire, les prédictions de Breit et Wheeler concernant la création de particules de matière à partir de la lumière n'ont jamais pu être testées directement par des expériences. Cela ne signifie pas que l'on a de véritable raison de douter de leur validité. En effet, elles découlent de la théorie physique la plus précise et la mieux vérifiée que l'Homme connaisse, l'électrodynamique quantique, encore appelée QED (l'acronyme de quantum electrodynamics en anglais). Il existe différents processus de création et d'annihilation faisant intervenir des électrons, des positrons, des photons et des noyaux que l'on sait parfaitement décrire dans son cadre avec les fameux diagrammes de Feynman, et qui ont été observés expérimentalement.

Ces diagrammes de Feynman dans l'espace-temps décrivent plusieurs phénomènes mettant en jeu des interactions et des annihilations entre photons et particules chargées comme les électrons, les positrons et parfois des noyaux (nucleus en anglais). La production de paires de particules de matière et d'antimatière à partir de photons dans le vide, prédite en 1934 par Breit et Wheeler, n'a encore jamais été observée directement en laboratoire sur Terre. © Oliver Pike, Imperial College London

De l'antimatière à partir de la lumière

L'un de ces processus est la création d'une paire positron-électron à partir d'un photon dans le voisinage d'un noyau. C'est le fameux processus de Bethe-Heitler. On sait donc qu'il est bien possible de créer de la matière à partir de la lumière, mais ce qui distingue le processus de Breit-Wheeler de celui de Bethe-Heitler, c'est que le premier peut se produire dans un espace initialement vide de matière, alors que le second nécessite la présence de particules chargées. Jusqu'à aujourd'hui donc, et comme le pensaient Breit et Wheeler, la réalisation et l'observation sur Terre de la transformation d'une paire de photons entrant en collision dans le vide en une paire de particules chargées comme un électron et un positron sont restées trop difficiles pour les expérimentateurs.

Mais un article publié récemment dans Nature Photonics par un groupe de physiciens de l'Imperial College London suggère qu'elle est peut-être à portée de main, si l'on s'y prend correctement. Les chercheurs étudiaient la physique des plasmas dans le cadre de leur recherches sur la fusion contrôlée lorsqu'ils ont découvert par hasard, et à leur grande surprise, un protocole expérimental très prometteur pour observer la création de paires de Breit-Wheeler (attention à ne pas confondre la section efficace de Breit-Wheeler pour cette production avec la distribution de Breit-Wigner, qui désigne complètement autre chose).

Le principe du dispositif expérimental qui devrait permettre de vérifier les idées de Breit et Wheeler sur la création de paires électron-positron avec des collisions de photons. Un faisceau d'électrons (electron beam) traverse une cible en or (gold target) où sont produits comme il est expliqué dans le texte ci-dessous des photons gamma (gamma-ray photons) et des paires de particules au voisinage des noyaux d'or. Les photons gamma pénètrent ensuite dans un hohlraum contenant du rayonnement thermique de corps noir (blackbody). © Oliver Pike et al., Nature

Collisionneur de photons dans un hohlraum

Voici la recette. Il faut d'abord commencer par générer un flux de rayons gamma intense. Pour cela, un faisceau laser intense est utilisé pour accélérer des électrons presque à la vitesse de la lumière. Ces électrons, possédant une énergie de 2 GeV et que l'on qualifie d'ultrarelativistes, constituent un faisceau dirigé sur une cible fixe en or d'environ 5 mm de diamètre. En passant près des noyaux d'or, les électrons sont freinés par le champ électrostatique de ces noyaux et perdent en conséquence de l'énergie sous forme de photons gamma, selon un processus en QED que l'on appelle bremsstrahlung (ce qui signifie « rayonnement de freinage » en allemand).

Des champs magnétiques dévient ensuite les électrons et les positrons qui pourraient avoir été créés par effet Bethe-Heitler à partir des photons gamma au voisinage des noyaux d'or pour ne plus laisser qu'un faisceau de photons gamma presque pur en sortie du dispositif. Ce faisceau entre alors dans un hohlraum rempli d'un bain de photons thermiques de plus basse énergie, constituant un rayonnement de corps noir. Rappelons qu'un hohlraum (mot allemand désignant généralement une « zone creuse » ou une cavité) est un dispositif qui a comme ancêtres les cavités utilisées pour faire des expériences sur le rayonnement du corps noir, mais que l'on emploie aussi de nos jours pour des expériences sur la fusion inertielle.

D'après les calculs des chercheurs, une seule impulsion laser accélérant des électrons à 4 GeV devrait produire environ 100.000 positrons dans le hohlraum. L'expérience serait réalisable rapidement avec les moyens technologiques modernes, et devrait permettre de vérifier que l'on comprend bien ce qui s'est passé dans l'univers primordial quelques secondes à quelques minutes après le temps de Planck. On devrait aussi pouvoir mieux comprendre la pertinence de certains modèles avancés pour expliquer les sursauts gamma ou des supernovae.

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