Au LHC, une étrange collision entre lumière... et lumière ?

En son temps, Newton pensait que la lumière était faite de particules mais son contemporain, le physicienphysicien, mathématicienmathématicien et astronomeastronome Christian HuygensChristian Huygens pensait lui que c'était une onde. Après tout, deux rayons lumineux qui se coupent ne sont pas déviés alors que c'est ce que l'on attendrait de chocs entre des boules de billard. Le modèle newtonien de la lumière va malgré tout s'imposer jusqu'au début du XIX^e siècle où il subira une première défaite avec les travaux du Britannique Thomas Young. Il fut totalement détrôné ensuite avec la théorie ondulatoire de la lumière du Français Augustin Fresnel et, semblait-il, définitivement enterré avec le succès de la théorie de Maxwell des ondes électromagnétiques.

Cette dernière confirmait bien que la lumière était une onde et que lorsque deux rayons lumineux entraient en collision, ils n'avaient pas plus de raison de se dévier l'un l'autre que deux petites vaguesvagues à la surface de l'eau, passant l'une à travers l'autre.

Ces diagrammes de Feynman illustrent le phénomène de diffusion de la lumière en QED. Les photons sont en lignes ondulées et les électrons sont représentés par des lignes droites dans l’espace-temps. Un électron suit le sens du temps alors qu’un positron remonte le temps, dans l’interprétation de Feynman (indiqué par le sens des flèches sur les lignes). Au sommet des lignes avec les photons, une paire d’électron-positron est soit créée, soit détruite, ce qui absorbe ou produit un photon. © Cern, Atlas Collaboration

Finalement, la physique quantique, d'abord avec Max PlanckMax Planck, puis Albert EinsteinEinstein, a redistribué les cartes en conduisant au concept de photon et donc en rétablissant en partie la théorie corpusculaire de la lumière. Une électrodynamique quantique allait ensuite se développer grâce aux travaux de Heisenberg, Pauli, Jordan, Fermi et Dirac. Celle-ci allait mener à la découverte des antiparticulesantiparticules, notamment celle des positronspositrons, mais aussi au concept de vide quantique.

Une électrodynamique non linéaire

En 1936, Heisenberg et son thésard Euler ont commencé à comprendre que bien que l'électrodynamique quantique - encore appelée quantum electrodynamics ou QED -, soit construite sur les équations de Maxwelléquations de Maxwell qui sont linéaires (c'est-à-dire que deux solutions de ces équations peuvent être additionnées pour donner une nouvelle solution), elle pouvait conduire à des effets non-linéaires à l'instar de ceux observés par exemple avec des vagues en mécanique des fluides. C'est-à-dire que deux ondes suffisamment fortes pouvaient se modifier l'une l'autre, et pas simplement se traverser puis s'éloigner sans changements de formes.

Les membres de la collaboration Atlas ont mené une recherche pour mettre en évidence la diffusion de la lumière par la lumière dans les collisions d’ions lourds de plomb en 2015. Alors que près de quatre milliards d’événements ont été détectés seuls, 13 diphotons pouvant correspondre à ce processus ont été observés. L'un d'eux est en jaune sur les images ci-dessus construites par ordinateur à partir des données du détecteur. © Cern, Atlas Collaboration

L'un des phénomènes contenus implicitement dans la QED dans son régime non-linéaire est celui de la diffusiondiffusion de la lumière par la lumière. C'est-à-dire qu'effectivement, dans certaines situations, deux rayons de lumière devraient en quelque sorte rebondir l'un sur l'autre comme le feraient deux jets de boules de billard. Le phénomène peut simplement se comprendre et se calculer à l'aide de la fameuse technique des diagrammes de Feynmandiagrammes de Feynman. Il repose sur la création temporaire par polarisation du vide quantique d'une paire d'électronélectron et de positron. Décrit au cours des années 1950, il n'a été observé indirectement que plus tard.

Comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, les physiciens membres de la collaboration Atlas (qui utilisent donc l'un des détecteurs géants du LHCLHC) pensent avoir observé directement la diffusion de la lumière par la lumière pour la première fois. Toutefois, ils restent prudents car, dans leur jargon, ils sont arrivés à obtenir un signal qui s'écarte d'un simple bruit de fond à la hauteur de 4,4 sigmas. Ce qui veut dire que, par comparaison, ils pensent qu'il est assez probable qu'ils ont écouté un fragment de morceau de musique dans un poste radio et pas simplement une fluctuation dans le signal radio due au hasard. Mais ils ne peuvent pas encore en être raisonnablement sûrs, ce qui veut dire que l'on n'en est pas au stade où l'on peut parler avec assurance d'une découverte. Il faudrait pour cela un signal à 5 sigmas. Les recherches vont donc se poursuivre et les données accumulées vont faire augmenter la statistique, comme le diraient les physiciens.