Une équipe de recherche a pu générer des rayons X polarisés d'une pureté sans précédent au XFEL européen de Hambourg. Les expériences ont impliqué des scientifiques de l'Institut Helmholtz d'Iéna, une branche du GSI, de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna et du Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf. La méthode est censée être utilisée dans les années à venir pour montrer que même le vide se comporte comme un matériau dans certaines circonstances - une prédiction de l'électrodynamique quantique.

La polarisation du rayonnement électromagnétique décrit dans quel plan de l'espace une onde oscille. Alors que le rayonnement électromagnétique quotidien, comme la lumière du soleil, n'est pas polarisé, les lasers produisent un rayonnement polarisé. Il s'agit d'une exigence importante pour un large éventail d'expériences, de la physique du solide à l'optique quantique.

Des polariseurs supplémentaires, tels que ceux en cours de développement à l'Institut Helmholtz d'Iéna, ont pour but d'améliorer encore la pureté de polarisation, mais pendant longtemps la limite de quelques 10 ^-10 ne pouvait pas être poussé plus loin. En 2018, Kai Schulze, premier auteur de l'article maintenant publié dans Physical Review Research , ont constaté que la divergence du rayonnement synchrotron est la raison de cette limite. "Ainsi, pour obtenir une amélioration supplémentaire de la pureté, nous avions besoin d'une source avec une meilleure divergence", explique le physicien, qui dirige les travaux sur la biréfringence du vide à HI Jena et est conjointement responsable des projets de recherche DFG connexes à l'Université de Jena. "La mise en service du laser à rayons X européen, European XFEL, à Schenefeld près de Hambourg a ouvert la voie."

En collaboration avec des scientifiques de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna et du Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf, Schulze et son équipe ont développé une configuration d'expérience au XFEL européen qui a établi un nouveau record de pureté de 8 × 10 ^-11 . grâce à des cristaux polarisants spéciaux, un alignement très précis et une configuration stable. Ce nouveau record de pureté a déjà permis de nombreuses expériences sur l'optique quantique dans le domaine des rayons X et sur la distribution de charge dans les solides. Cependant, un intérêt particulier est consacré à la détection de ce qu'on appelle la biréfringence du vide.

L'interaction de la lumière avec la lumière a été décrite dès 1936 par Werner Heisenberg et Hans Euler, mais n'a pas encore été directement observée sur Terre. "La biréfringence sous vide est actuellement l'effet le plus prometteur pour détecter directement l'interaction lumière-lumière", explique Schulze. "Dans ce processus, la polarisation d'un faisceau échantillon change lorsqu'il entre en collision dans le vide avec un second faisceau lumineux très intense. Le vide agit donc comme un cristal biréfringent, qui affecte également la polarisation; d'où le nom. L'effet est extrêmement faible, mais croît avec la diminution de la longueur d'onde du faisceau échantillon. Des polariseurs précis dans la gamme des rayons X fournissent donc un bon outil pour détecter l'effet."

L'instrument à haute densité d'énergie du XFEL européen fournira les conditions idéales pour une telle expérience à l'avenir, explique Schulze. Et l'équipe de recherche dispose désormais d'une configuration avec laquelle les plus petits changements de polarisation peuvent être mesurés. La détection de la biréfringence du vide non seulement renforcerait davantage les fondements de l'électrodynamique quantique, mais, si des écarts par rapport aux attentes théoriques apparaissaient, fournirait également des indices sur des particules élémentaires jusque-là inconnues (telles que les axions ou les particules millichargées). "Nous espérons pouvoir lancer les premières expérimentations dans les prochaines années."

La détection du phénomène serait également intéressante pour de futures expériences au centre de l'accélérateur de particules FAIR. "Si nous réussissons à mesurer la biréfringence du vide, cela aidera à interpréter les données de mesure de FAIR. Entre autres choses, la polarisation du vide y jouera un rôle, qui est étroitement lié à la biréfringence du vide", a déclaré Schulze. + Explorer plus loin

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