En frappant des électrons avec un laser ultra-intense, les chercheurs ont révélé des dynamiques qui vont au-delà de la physique « classique » et font allusion aux effets quantiques.

Chaque fois que la lumière frappe un objet, une partie de la lumière se disperse de la surface de l'objet. Cependant, si l'objet se déplace extrêmement rapidement, et si la lumière est incroyablement intense, des choses étranges peuvent arriver.

électrons, par exemple, peuvent être secoués si violemment qu'ils ralentissent en fait parce qu'ils rayonnent tellement d'énergie. Les physiciens appellent ce processus « réaction de rayonnement ».

On pense que cette réaction de rayonnement se produit autour d'objets tels que les trous noirs et les quasars (trous noirs supermassifs entourés d'un disque de gaz). Être capable de mesurer la réaction aux radiations en laboratoire fournira donc un aperçu des processus qui se produisent dans certains des environnements les plus extrêmes de l'univers.

La réaction aux radiations est également intéressante pour les physiciens qui étudient les effets au-delà de la physique « classique », car les équations (connues sous le nom d'équations de Maxwell) qui définissent traditionnellement les forces agissant sur les objets sont insuffisantes dans ces environnements extrêmes.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par l'Imperial College de Londres a démontré pour la première fois une réaction aux radiations en laboratoire. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Examen physique X .

Ils ont pu observer cette réaction de rayonnement en faisant entrer en collision un faisceau laser un quadrillion (un milliard de millions) de fois plus brillant que la lumière à la surface du Soleil avec un faisceau d'électrons à haute énergie. L'expérience, qui exigeait une précision extrême et un timing exquis, a été réalisé à l'aide du laser Gemini à l'installation laser centrale du Science and Technology Facilities Council au Royaume-Uni.

Les photons de lumière réfléchis par un objet se déplaçant près de la vitesse de la lumière voient leur énergie augmenter. Dans les conditions extrêmes de cette expérience, cela déplace la lumière réfléchie de la partie visible du spectre jusqu'aux rayons gamma de haute énergie. Cet effet a permis aux chercheurs de savoir quand ils avaient réussi à entrer en collision avec les faisceaux.

Auteur principal de l'étude, Dr Stuart Mangles du Département de physique de l'Impériale, a déclaré :« Nous savions que nous avions réussi à faire entrer les deux faisceaux en collision lorsque nous avons détecté un rayonnement gamma de haute énergie très brillant.

"Le véritable résultat est ensuite venu lorsque nous avons comparé cette détection avec l'énergie du faisceau d'électrons après la collision. Nous avons constaté que ces collisions réussies avaient une énergie électronique inférieure à celle attendue, ce qui est une preuve évidente d'une réaction aux radiations."

Co-auteur de l'étude, le professeur Alec Thomas, de l'Université de Lancaster et de l'Université du Michigan, a ajouté:"Une chose que je trouve toujours si fascinante à ce sujet, c'est que les électrons sont arrêtés aussi efficacement par cette feuille de lumière, une fraction de la largeur d'un cheveu d'épaisseur, comme par quelque chose comme un millimètre de plomb. C'est extraordinaire."

Les données de l'expérience s'accordent également mieux avec un modèle théorique basé sur les principes de l'électrodynamique quantique, plutôt que les équations de Maxwell, fournissant potentiellement certaines des premières preuves de modèles quantiques non testés auparavant.

Co-auteur de l'étude, le professeur Mattias Marklund de l'Université de technologie de Chalmers, la Suède dont le groupe a participé à l'étude, a déclaré :« Tester nos prédictions théoriques est d'une importance capitale pour nous à Chalmers, surtout dans les nouveaux régimes où il y a beaucoup à apprendre. Associé à la théorie, ces expériences sont à la base de la recherche sur les lasers à haute intensité dans le domaine quantique."

Cependant, d'autres expériences à une intensité encore plus élevée ou avec des faisceaux d'électrons encore plus énergétiques seront nécessaires pour confirmer si cela est vrai. L'équipe réalisera ces expériences au cours de l'année à venir.

L'équipe a réussi à rendre la lumière si intense dans l'expérience actuelle en la focalisant sur un très petit point (quelques micromètres - des millionièmes de mètre - à travers) et en délivrant toute l'énergie en une très courte durée (seulement 40 femtosecondes :40 quadrillions de seconde).

Pour rendre le faisceau d'électrons suffisamment petit pour interagir avec le laser focalisé, l'équipe a utilisé une technique appelée « accélération de champ de sillage laser ».

La technique du champ de sillage laser déclenche une autre impulsion laser intense dans un gaz. Le laser transforme le gaz en plasma et entraîne une onde, appelé le champ de sillage, derrière lui lorsqu'il traverse le plasma. Les électrons du plasma peuvent surfer sur ce sillage et atteindre de très hautes énergies à très courte distance.