Quelques minutes dans la vie de l'univers, la collision d'émissions d'énergie lumineuse a créé les premières particules de matière et d'antimatière. Nous connaissons le processus inverse - la matière générant de l'énergie - dans tout, d'un feu de camp à une bombe atomique, mais il a été difficile de recréer cette transformation critique de la lumière en matière.

Maintenant, une nouvelle série de simulations d'une équipe de recherche dirigée par Alexey Arefiev de l'UC San Diego montre la voie à suivre pour fabriquer de la matière à partir de la lumière. Le processus commence par pointer un laser de haute puissance sur une cible pour générer un champ magnétique aussi fort que celui d'une étoile à neutrons. Ce champ génère des émissions de rayons gamma qui entrent en collision pour produire, pour l'instant le plus bref, des paires de particules de matière et d'antimatière.

L'étude, publié le 11 mai dans Examen physique appliqué propose une sorte de recette que les expérimentateurs des installations laser à haute puissance Extreme Light Infrastructure (ELI) en Europe de l'Est pourraient suivre pour produire de vrais résultats en un à deux ans, dit Arefiev, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial.

"Nos résultats mettent les scientifiques en mesure de sonder, pour la première fois, l'un des processus fondamentaux de l'univers, " il a dit.

Exploiter une puissance élevée

Aréfiev, doctorat Tao Wang et leurs collègues du Relativistic Laser-Plasma Simulation Group travaillent depuis des années sur les moyens de créer intense, faisceaux d'énergie et de rayonnement dirigés, travail qui est soutenu en partie par la National Science Foundation et l'Air Force Office of Science Research. Une façon d'y parvenir, ils ont noté, serait de viser une cible avec un laser de haute puissance pour créer un champ magnétique très puissant qui produirait d'intenses émissions d'énergie.

Haute intensité, des impulsions laser ultra-courtes dirigées vers une cible dense peuvent rendre la cible "relativement transparente, " comme les électrons du laser se déplacent à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière et deviennent effectivement plus lourds, expliqua Arefiev. Cela empêche les électrons du laser de se déplacer pour protéger la cible de la lumière du laser. Lorsque le laser dépasse ces électrons, il génère un champ magnétique aussi puissant que l'attraction exercée sur la surface d'une étoile à neutrons, 100 millions de fois plus puissant que le champ magnétique terrestre.

Dire que tout se passe en un clin d'œil est une vaste exagération. Le champ magnétique existe pendant 100 femtosecondes. (Une femtoseconde vaut 10 ^-15 de seconde - un quadrillionième de seconde.) Mais "du point de vue du laser, le champ est quasi-statique, " dit Arefiev. " Encore une fois, du point de vue du laser, nos vies sont probablement plus longues que la vie de l'univers."

Un laser de haute puissance dans ce cas est un laser de la gamme multi-petawatt. Un pétawatt équivaut à un million de milliards de watts. En comparaison, le Soleil fournit environ 174 pétawatts de rayonnement solaire à toute la haute atmosphère de la Terre. Un pointeur laser fournit environ 0,005 watt à une diapositive Power Point.

Des simulations précédentes suggéraient que le laser en question devait être de haute puissance et viser un petit point pour produire l'intensité requise pour créer un champ magnétique suffisamment fort. Les nouvelles simulations suggèrent qu'en augmentant la taille de la tache focale et en augmentant la puissance du laser à environ 4 pétawatts, l'intensité du laser pourrait rester fixe et toujours créer le champ magnétique puissant.

Dans ces conditions, les simulations montrent, les électrons du champ magnétique accélérés par laser stimulent l'émission de rayons gamma de haute énergie.

"Nous ne nous attendions pas à ce que nous n'ayons pas besoin d'aller à une intensité folle, qu'il suffit juste d'augmenter la puissance et qu'on peut arriver à des choses très intéressantes, " a déclaré Arefiev.

Paires de particules

L'une de ces choses intéressantes est la production de paires électron-positon – des particules appariées de matière et d'antimatière. Ces particules peuvent être produites par collision de deux faisceaux de rayons gamma ou par collision d'un faisceau de rayons gamma avec un rayonnement de corps noir, un objet qui absorbe tous les rayonnements tombant sur lui. La méthode en produit beaucoup, des dizaines à des centaines de milliers de paires nées d'une seule collision.

Les scientifiques ont déjà réalisé l'exploit de la lumière en matière, notamment dans une expérience de Stanford en 1997, mais cette méthode nécessitait un flux supplémentaire d'électrons de haute énergie, alors que la nouvelle méthode « n'est que de la lumière utilisée pour produire de la matière, " a déclaré Arefiev. Il a également noté que l'expérience de Stanford " produirait une paire de particules environ tous les 100 coups. "

Une expérience qui utilise uniquement la lumière pour créer de la matière imite plus fidèlement les conditions des premières minutes de l'univers, offrant un modèle amélioré pour les chercheurs qui souhaitent en savoir plus sur cette période critique. L'expérience pourrait également offrir plus de chances d'étudier les particules d'antimatière, qui restent une partie mystérieuse de la composition de l'univers. Par exemple, les scientifiques sont curieux d'en savoir plus sur les raisons pour lesquelles l'univers semble avoir plus de matière que d'antimatière, alors que les deux devraient exister en quantités égales.

Arefiev et ses collègues ont été encouragés à faire ces simulations maintenant parce que les installations laser capables de réaliser les expériences réelles sont maintenant disponibles. "Nous avons spécifiquement fait les calculs pour les lasers qui n'étaient pas disponibles jusqu'à récemment, mais devrait maintenant être disponible dans ces installations laser, " il a dit.

Dans une étrange tournure, les simulations proposées par l'équipe de recherche pourraient également aider les scientifiques de l'ELI à déterminer si leurs lasers sont aussi intenses qu'ils le pensent. Tirer un laser de l'ordre de plusieurs pétawatts sur une cible de seulement cinq microns de diamètre "détruit tout, " dit Arefiev. " Tu tire et c'est parti, rien n'est récupérable, et vous ne pouvez pas réellement mesurer l'intensité maximale que vous produisez."

Mais si les expériences produisent des rayons gamma et des paires de particules comme prévu, "ce sera une validation que la technologie laser peut atteindre une intensité aussi élevée, " il ajouta.

L'année dernière, les chercheurs de l'UC San Diego ont reçu une subvention de la National Science Foundation des États-Unis qui leur permet de s'associer à des chercheurs de l'ELI pour réaliser ces expériences. Ce partenariat est essentiel, Arefiev a dit, car il n'y a pas d'installations aux États-Unis avec des lasers assez puissants, malgré un rapport de 2018 des National Academies of Sciences avertissant que les États-Unis ont perdu leur avantage en investissant dans la technologie laser ultrarapide intense.

Arefiev a déclaré que les installations laser ELI seraient prêtes à tester leurs simulations dans quelques années. "C'est la raison pour laquelle nous avons écrit cet article, parce que le laser est opérationnel, donc nous ne sommes pas si loin de le faire réellement, " dit-il. " Avec la science, c'est ce qui m'attire. Voir c'est croire."