Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université d’Osaka et de l’Université de Californie à San Diego a utilisé des simulations pour démontrer comment la matière peut être créée expérimentalement en utilisant uniquement la lumière, ce qui pourrait à l’avenir aider à tester des théories de longue date sur la composition de l’univers.L’une des prédictions les plus étonnantes de la physique quantique est que la matière peut être entièrement créée à partir de lumière ou de photons. En fait, des objets appelés pulsars ont réussi cet exploit. La génération directe de matière de cette manière n’a pas encore été réalisée en laboratoire, mais cela permettrait de tester davantage les théories fondamentales de la physique quantique et la composition fondamentale de l’univers.
Dans une étude récente publiée dans Physical Review Letters, une équipe de recherche dirigée par des chercheurs de l’Université d’Osaka a simulé les conditions de collisions photon-photon en utilisant uniquement des lasers. En raison de la simplicité de configuration et de la facilité de mise en œuvre avec les intensités laser existantes, des expériences devraient être menées dans un avenir proche.
Théoriquement, la collision photon-photon est le moyen fondamental de produire de la matière dans l’univers. Elle est dérivée de la célèbre équation d'Einstein E=mc². En fait, les chercheurs ont créé la matière à partir de la lumière indirectement : en accélérant des ions métalliques tels que l’or les uns dans les autres à grande vitesse. À des vitesses aussi élevées, chaque ion est entouré de photons qui, en se croisant, créent de la matière et de l'antimatière.
Cependant, dans les laboratoires modernes, produire de la matière en utilisant uniquement des lasers constitue un défi car des lasers de très haute puissance sont nécessaires. Simuler la façon dont cet exploit est réalisé en laboratoire pourrait conduire à des percées expérimentales, c'est donc ce que les chercheurs ont décidé de faire.
"Des expériences de simulation ont démontré qu'un plasma dense peut s'auto-organiser en un collisionneur photon-photon lorsqu'il interagit avec le puissant champ électromagnétique du laser", explique le Dr Sugimoto, premier auteur de l'étude. "Ce collisionneur contient un essaim dense de rayons gamma avec une densité dix fois supérieure à la densité des électrons du plasma et une énergie un million de fois supérieure à l'énergie des photons des lasers."
Les collisions photon-photon dans le collisionneur produisent des paires électron-positon et le champ électrique plasma généré par le laser accélère les positrons. Cela crée un faisceau de positons.
"Il s'agit de la première simulation d'accélération de positons à partir d'un processus linéaire de Brett-Weller dans des conditions relativistes", a déclaré le co-auteur, le professeur Arefiev de l'Université de Californie à San Diego. "Nous pensons que notre proposition est réalisable sur le plan expérimental et nous sommes impatients de la mettre en œuvre dans le monde réel."
Le Dr Vyacheslav Lukin, directeur du programme de la National Science Foundation qui a soutenu les travaux, a déclaré : « Cette recherche démontre un moyen potentiel d'explorer les mystères de l'univers en laboratoire. Les possibilités futures des installations laser de haute puissance, aujourd'hui et dans le futur, deviennent encore plus fascinantes. »
Les applications de ce travail à la technologie fictive de conversion matière-énergie présentée dans Star Trek restent fictives. Néanmoins, ces travaux ont le potentiel de contribuer à confirmer expérimentalement les théories sur la création de l’univers et pourraient même aider à découvrir une physique jusqu’alors inconnue.
Référence : K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, IL. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev et Y. Sentoku, 9 août 2023, « Physical Review Letters ».
DOI:10.1103/PhysRevLett.131.065102
Source compilée : ScitechDaily