Les scientifiques qui étudient les collisions de particules au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du ministère de l'Énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven du DOE - ont produit des preuves définitives de deux phénomènes physiques prédits il y a plus de 80 ans. Les résultats ont été dérivés d'une analyse détaillée de plus de 6, 000 paires d'électrons et de positons produites lors de collisions de particules glaçantes au RHIC et sont publiées dans Lettres d'examen physique .

La principale découverte est que des paires d'électrons et de positrons - des particules de matière et d'antimatière - peuvent être créées directement par la collision de photons très énergétiques, qui sont des "paquets" quantiques de lumière. Cette conversion de la lumière énergétique en matière est une conséquence directe de la célèbre équation E=mc2 d'Einstein, qui stipule que l'énergie et la matière (ou la masse) sont interchangeables. Les réactions nucléaires au soleil et dans les centrales nucléaires convertissent régulièrement la matière en énergie. Maintenant, les scientifiques ont converti l'énergie lumineuse directement en matière en une seule étape.

Le deuxième résultat montre que le chemin de la lumière traversant un champ magnétique dans le vide se courbe différemment selon la façon dont cette lumière est polarisée. Une telle déviation dépendante de la polarisation (appelée biréfringence) se produit lorsque la lumière traverse certains matériaux. (Cet effet est similaire à la façon dont la déviation dépendante de la longueur d'onde divise la lumière blanche en arcs-en-ciel.) Mais c'est la première démonstration de la courbure de la lumière dépendante de la polarisation dans le vide.

Les deux résultats dépendent de la capacité du détecteur STAR du RHIC, le Solenoid Tracker du RHIC, à mesurer la distribution angulaire des particules produites lors de collisions fulgurantes d'ions d'or se déplaçant à presque la vitesse de la lumière.

Des nuages ​​de photons en collision

De telles capacités n'existaient pas lorsque les physiciens Gregory Breit et John A. Wheeler ont décrit pour la première fois la possibilité hypothétique d'entrer en collision avec des particules lumineuses pour créer des paires d'électrons et leurs homologues d'antimatière, connu sous le nom de positons, en 1934.

« Dans leur journal, Breit et Wheeler ont déjà réalisé que c'est presque impossible à faire, " a déclaré Zhangbu Xu, physicien du Brookhaven Lab, membre de la collaboration STAR du RHIC. "Les lasers n'existaient même pas encore ! Mais Breit et Wheeler ont proposé une alternative :accélérer les ions lourds. Et leur alternative est exactement ce que nous faisons au RHIC."

Un ion est essentiellement un atome nu, dépouillé de ses électrons. Un ion d'or, avec 79 protons, porte une puissante charge positive. L'accélération d'un ion lourd aussi chargé à des vitesses très élevées génère un puissant champ magnétique qui s'enroule autour de la particule en mouvement, comme un courant traversant un fil.

"Si la vitesse est suffisamment élevée, la force du champ magnétique circulaire peut être égale à la force du champ électrique perpendiculaire, " dit Xu. Et cet arrangement de champs électriques et magnétiques perpendiculaires de force égale est exactement ce qu'est un photon - une " particule " quantifiée de lumière. " Alors, lorsque les ions se déplacent près de la vitesse de la lumière, il y a un tas de photons entourant le noyau d'or, voyager avec lui comme un nuage."

Chez RHIC, les scientifiques accélèrent les ions d'or à 99,995% de la vitesse de la lumière dans deux anneaux accélérateurs.

"Nous avons deux nuages ​​de photons se déplaçant dans des directions opposées avec suffisamment d'énergie et d'intensité pour que lorsque les deux ions se frôlent sans entrer en collision, ces champs de photons peuvent interagir, " dit Xu.

Les physiciens de STAR ont suivi les interactions et recherché les paires électron-positon prédites.

Mais de telles paires de particules peuvent être créées par une gamme de processus au RHIC, y compris par le biais de photons « virtuels », un état de photon qui existe brièvement et porte une masse effective. Pour être sûr que les paires matière-antimatière provenaient de vrais photons, les scientifiques doivent démontrer que l'apport de photons « virtuels » ne change pas le résultat de l'expérience.

Pour faire ça, les scientifiques de STAR ont analysé les schémas de distribution angulaire de chaque électron par rapport à son positon partenaire. Ces modèles diffèrent pour les paires produites par les interactions de photons réels par rapport aux photons virtuels.

"Nous avons également mesuré toute l'énergie, distributions de masse, et les nombres quantiques des systèmes. Ils sont cohérents avec les calculs théoriques de ce qui se passerait avec de vrais photons, " a déclaré Daniel Brandebourg, un Goldhaber Fellow au Brookhaven Lab, qui a analysé les données STAR sur cette découverte.

D'autres scientifiques ont essayé de créer des paires électron-positon à partir de collisions lumineuses à l'aide de lasers puissants, des faisceaux de lumière intense focalisés. Mais les photons individuels dans ces faisceaux intenses n'ont pas encore assez d'énergie, dit Brandebourg.

Une expérience au SLAC National Accelerator Laboratory en 1997 a réussi en utilisant un processus non linéaire. Les scientifiques ont d'abord dû augmenter l'énergie des photons d'un faisceau laser en le faisant entrer en collision avec un puissant faisceau d'électrons. Les collisions des photons amplifiés avec plusieurs photons simultanément dans un énorme champ électromagnétique créé par un autre laser produisaient de la matière et de l'antimatière.

"Nos résultats fournissent des preuves claires de création en une étape de paires matière-antimatière à partir de collisions de lumière, comme prévu à l'origine par Breit et Wheeler, " a déclaré Brandenburg. " Grâce au faisceau d'ions lourds à haute énergie du RHIC et aux mesures de grande acceptation et de précision du détecteur STAR, nous sommes en mesure d'analyser toutes les distributions cinématiques avec des statistiques élevées pour déterminer que les résultats expérimentaux sont en effet cohérents avec de vraies collisions de photons."

Lumière courbée dans le vide

La capacité de STAR à mesurer les minuscules déflexions des électrons et des positons produites presque dos à dos lors de ces événements a également permis aux physiciens d'étudier comment les particules lumineuses interagissent avec les puissants champs magnétiques générés par les ions accélérés.

"Le nuage de photons entourant les ions d'or dans l'un des faisceaux du RHIC est projeté dans le fort champ magnétique circulaire produit par les ions accélérés dans l'autre faisceau d'or, " dit Chi Yang, un collaborateur de longue date de STAR de l'Université du Shandong qui a passé toute sa carrière à étudier les paires électron-positon produites à partir de divers processus au RHIC. « Regarder la distribution des particules qui sortent nous indique comment la lumière polarisée interagit avec le champ magnétique. »

Werner Heisenberg et Hans Heinrich Euler en 1936, et John Toll dans les années 1950, ont prédit qu'un vide d'espace vide pourrait être polarisé par un champ magnétique puissant et qu'un tel vide polarisé devrait dévier les chemins des photons en fonction de la polarisation des photons. Sonner, dans sa thèse, a également détaillé comment l'absorption de la lumière par un champ magnétique dépend de la polarisation et de sa connexion à l'indice de réfraction de la lumière dans le vide. Cette déviation dépendant de la polarisation, ou biréfringence, a été observée dans de nombreux types de cristaux. Il y avait aussi un rapport récent de la lumière provenant d'une étoile à neutrons se pliant de cette façon, probablement à cause de ses interactions avec le champ magnétique de l'étoile. Mais aucune expérience terrestre n'a détecté de biréfringence dans le vide.

Chez RHIC, les scientifiques ont mesuré comment la polarisation de la lumière affectait si la lumière était "absorbée" par le champ magnétique.

Ceci est similaire à la façon dont les lunettes de soleil polarisées bloquent le passage de certains rayons s'ils ne correspondent pas à la polarisation des verres, Yang a expliqué. Dans le cas des lunettes de soleil, en plus de voir passer moins de lumière, vous pourriez, en principe, mesurer une augmentation de la température du matériau de la lentille lorsqu'il absorbe l'énergie de la lumière bloquée. Chez RHIC, l'énergie lumineuse absorbée est ce qui crée les paires électron-positon.

"Quand on regarde les produits issus des interactions photon-photon au RHIC, on voit que la répartition angulaire des produits dépend de l'angle de la polarisation de la lumière. Cela indique que l'absorption (ou le passage) de la lumière dépend de sa polarisation, " a dit Yang.

Il s'agit de la première observation expérimentale terrestre que la polarisation affecte les interactions de la lumière avec le champ magnétique dans le vide - la biréfringence du vide prédite en 1936.

"Ces deux découvertes s'appuient sur les prédictions faites par certains des grands physiciens du début du 20e siècle, " a déclaré Frank Geurts, professeur à l'Université Rice, dont l'équipe a construit et exploité les composants de détection de pointe "Time-of-Flight" de STAR qui étaient nécessaires pour cette mesure. « Ils sont basés sur des mesures fondamentales rendues possibles tout récemment grâce aux technologies et aux techniques d'analyse que nous avons développées au RHIC. »