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24 mai 2014
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

Créer de la matière à partir de la lumière



Théories montrant les interactions entre lumière et matière
Théories montrant les interactions entre lumière et matière
(Photo : Oliver Pike, Imperial College London)


C'est ainsi, selon les hypothèses actuelles, que l'univers, dans les quelques fractions de seconde ou quelques secondes ayant suivi le Big Bang, a pris le visage que nous lui connaissons aujourd'hui, c'est-à-dire faisant coexister les photons de la lumière avec les atomes de la matière. Mais initialement, l'univers aurait consisté en un plasma de photons à très haute densité et très haute température. Il a donc fallu qu'un processus jusqu'ici encore mystérieux intervienne pour que certains de ces photons, en se rencontrant, émettent les sous-produits du choc ainsi généré, soit les briques de base de la matière, un électron et un positron (constitutifs de l'hydrogène).

Mais ce processus était peu imaginable compte tenu de la nature de la lumière telle que conçue jusqu'à présent. Les photons étaient considérés comme des particules sans masse, incapables d'interagir les unes avec les autres. Deux faisceaux de lumière émanant d'une lampe de poche (ou d'un émetteur laser) peuvent se croiser sans produire le moindre atome d'hydrogène. Pourtant, un modèle théorique du phénomène avait été suggéré par les physiciens Gregory Breit et John Archibald Wheeler en 1934, mais il n'avait pu être observé en pratique.

Or aujourd'hui, la production de matière à partir de la lumière a été réalisée dans le cadre de deux expériences successives un peu différentes.
Dans un premier temps, (
voir Phys.org ), un groupe de chercheurs de Harvard et du MIT dirigé par les professeurs de physique Mikhail Lukin et Vladan Vuletic, travaillant au Center for Ultracold Atoms de Harvvard-MIT, avait publié un article dans Nature (septembre 2013) selon lequel ils avaient réussi ce qui était jusqu'ici inimaginable : forcer des photons à s'agréger pour produire des molécules. Pour cela, ils ont mis au point un certain type de milieu dans lequel des photons violemment heurtés interagissent si fortement qu'ils se comportent comme s'ils étaient dotés de masse, ce qui leur permet ensuite de s'agréger sous forme de molécules.

Mais il ne s'agissait pas encore de matière au sens propre.
Plus récemment (voir
Natureworld), une seconde équipe dirigée par Oliver Pike et composée de chercheurs de l'Imperial Collège britannique et du Max Planck Institute allemand, est allée plus loin. Ces chercheurs ont réalisé un dispositif permettant d'observer les photons individuellement, ainsi que ce qu'il en advenait dans le cas de collision, c'est-à-dire la production d'électrons et de positrons. L'exploit est d'importance. En effet, selon Oliver Pike, le dispositif, qui illustre la validité du processus théorisé par Breit-Wheeler, constitue la façon la plus simple de démontrer que la matière peut être construite à partir de la lumière, selon l'équation célèbre E=mc2.

L'expérience de collisionneur photon-photon proposée par Pyke et ses collègues fait appel à plusieurs étapes (que nous ne décrirons pas ici). En simplifiant, disons qu'elle utilise comme la précédente un laser de très haute intensité qui accélère des électrons quasiment à la vitesse de la lumière. Ceux-ci sont ensuite dirigés sur une feuille d'or qui renvoie un faisceau de photons ayant des milliards de fois l'énergie de la lumière visible. Dans une seconde phase, un laser également de haute énergie est envoyé dans un petit récipient d'or (hohlraum ou chambre vide, en allemand) ce qui crée un champ de radiation thermique capable de générer une lumière de force comparable à celle émise par les étoiles.

Ensuite, le premier faisceau de photon est envoyé dans la hohlraum. Les photons des deux sources se rencontrent alors avec violence. Des milliers de paires électron-positron, et non plus seulement de molécules photoniques, peuvent alors être générées. On pourrait suggérer qu'il s'agit d'un processus de fusion repris à l'envers. Au lieu de fusionner des molécules de matière pour obtenir de l'énergie sous forme de photons, on obtient des molécules de matière à partir de photons rendus massivement énergétiques.

Comme de telles hohlraum sont depuis longtemps utilisées dans les recherches sur la fusion nucléaire, l'expérience imaginée par ces chercheurs a pu être assez facilement réalisée en pratique. Elle pourra être renouvelée et compliquée, afin de préciser les modèles théoriques. Outre l'intérêt d'une telle réalisation pour comprendre les premiers instants ayant suivi la création de l'univers, elle devrait permettre également d'expliquer ces phénomènes encore mal connus que sont les explosions de rayons gamma se produisant à partir de sources non identifiées situées dans l'univers lointain.

Inutile de faire remarquer que de telles expériences, si elles étaient confirmées, permettraient, tout autant que les observations du rayonnement cosmologique par des satellites tels que Planck, de se représenter les origines de l'univers, ceci, si l'on peut dire, aux origines des origines. Resterait évidemment à comprendre comment, du vide cosmologique primordial, a pu émerger le plasma de photons chargés composant l'univers à sa naissance.

Par ailleurs, il faudra comprendre comment des photons pourraient se transformer en électrons et protons. Si l'on considère qu'il s'agit à la fois d'ondes et de particules, quels phénomènes, éventuellement reproductibles, pourraient se produire à leur niveau, tant au plan ondulatoire que particulaire ?

NB au 25/05

Alain Cardon nous écrit :

La grande question est la notion de l'information fondamentale qui pourrait être le substrat à l'existence de toutes les particules (photons et toutes les autres) et déterminant leurs possibilités d'états, de relations et de générations, avec notamment la théorie du contenu informatif du vide (voir par exemple Marc Lachièze-Rey du CEA Saclay sur ce sujet). Mais là, on aborde une bifurcation du modèle usuel de la physique des particules, ce qui n'est pas du tout dans l'air du temps où il faut être conforme à la conformité.



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