On a reproduit la création de la matière par la lumière du Big Bang

Il y a presque 115 ans, EinsteinEinstein publiait un très court article dans lequel il établissait que selon sa théorie de la relativité restreinte, la lumière pouvait transmettre l'inertie de la matière, ce qui en terme moderne implique qu'une énergie est équivalente à une massemasse. Son raisonnement aboutissait donc à la célèbre formule Eformule E=mc². On peut trouver cet article, et bien d'autres concernant l'essor aussi bien de la théorie de la relativité restreinte que de celle de la relativité généralerelativité générale, dans un célèbre ouvrage publié par Dover : The Principle Of Relativity.

On pouvait donc penser que l'on pouvait créer de la lumière à partir de la masse et inversement.

Dans le premier cas, des physiciensphysiciens comme Arthur Eddington et Jean Perrin ont rapidement soupçonné que c'était là la clé de l'énergie du SoleilSoleil. Ainsi, dès 1919 puis en 1921, dans un premier article intitulé Matière et Lumière, Perrin précise cette idée en proposant que le Soleil et les autres étoilesétoiles brillaient en faisant fusionner des atomesatomes d'hydrogènehydrogène. Eddington aboutit presque au même moment aux mêmes conclusions, conforté dans ses idées par les expériences de spectrométrie de massespectrométrie de masse de son compatriote britannique, le prix Nobel de chimiechimie Francis Aston.

Les développements de la théorie quantique des champs à la fin des années 1920 et au début des années 1930 vont permettre de montrer que le second processus, la création de la matière à partir de la lumière, est aussi valable. Une version spectaculaire de ce processus est prédite en 1934 par Gregory Breit et John Wheeler, la production de paires électronélectron-positronpositron par collision de photonsphotons et, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, ce processus a dû se produire pendant le Big BangBig Bang.

Des collisions d'ions lourds pour reproduire le Big Bang

Aujourd'hui, des membres du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis, travaillant avec le collisionneur d'ionsions lourds relativistes (RHIC) et son détecteur Star (pour Solenoidal TrackerTracker au RHIC) ont publié un article disponible en accès libre sur arXiv dans lequel ils annoncent qu'ils ont vérifié concrètement les prédictions de Breit et Wheeler en utilisant une stratégie qu'ils avaient d'ailleurs esquissée.

À l'origine, l'objectif scientifique principal de Star était d'étudier la formation et les caractéristiques du plasma quark-gluon (QGP), aussi appelé quagma, et qui a dû se former pendant le Big Bang et être à l'origine des protonsprotons et des neutronsneutrons de l'UniversUnivers qui seraient en quelque sorte des gouttes de liquideliquide refroidi provenant de ce plasma.

Pour les produire les physiciens accélèrent des ions lourds et en particulier des ions d'or presque à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière pour les faire entrer en collision. Parmi les divers processus générant de la lumière et d'autres particules dans ces collisions, les physiciens se sont rendu compte qu'il y avait un signal exploitable dans les collisions d'ions d'or allant à 99,995 % de la vitesse de la lumière, signal démontrant que le processus de Breit et Wheeler était réel.

En effet, ces ions une fois accélérés s'entourent chacun d'une sorte de nuagenuage de photons, et quand ces ions passent suffisamment proche l'un de l'autre il se produit des collisions entre les paires de photons selon exactement les calculs des deux physiciens.

Ce signal a effectivement été observé dans Star.

Big Bang : la création de matière à partir de lumière au labo

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 22/05/2014

Il y a 80 ans, le physicien d'origine russe Gregory Breit et son collègue états-unien John Wheeler prédisaient que de la matière pouvait être créée à partir de collisions dans un gazgaz de photons pur. Personne n'a encore vérifié directement en laboratoire ce phénomène, qui a dû intervenir pendant les premières secondes de l'existence de l'univers observable. Un groupe de physiciens pense avoir finalement trouvé un moyen pour que les expérimentateurs puissent désormais l'éprouver avec la technologie du XXI^e siècle.

À gauche, Robert Herman et, à droite, Ralph Alpher. Au centre, une image de George Gamow émergeant d'une bouteille de cointreau représentant l'Ylem, le mélange cosmique initial de protons, de neutrons et d'électrons à partir duquel les éléments chimiques étaient supposés s'être formés dans les articles publiés par ces trois chercheurs sur la théorie du Big Bang. Il s'agit d'un célèbre montage humoristique avec des photos datant de 1949. © AIP

En 1950, le grand astrophysicienastrophysicien japonais Chushiro Hayashi découvre et corrige une faille dans les raisonnements de George GamowGeorge Gamow et Ralph Alpher publiés dans un célèbre article en 1948, aujourd'hui connu sous le nom de « αβγ ». Il concernait la production des éléments au moment du Big Bang à partir d'un gaz de neutrons très dense se désintégrant rapidement par radioactivitéradioactivité bêtabêta en protons, électrons et antineutrinos baignant dans un gaz de photons. Hayashi montre que ses deux collègues (la présence de Hans Bethe dans la liste des auteurs de cet article n'était qu'une manifestation de la propension à l'humour de Gamow, il s'agissait d'un jeu de mots avec les lettres grecques) ne tenaient pas compte d'un processus prédit en 1934 par Gregory Breit et John Wheeler, la production de paires électron-positron par collision de photons.

Remarquablement, alors que les processus de synthèse des noyaux légers pendant le Big Bang par des combinaisons de captures de neutrons et de protons ont été largement reproduits en laboratoire, les prédictions de Breit et Wheeler concernant la création de particules de matière à partir de la lumière n'ont jamais pu être testées directement par des expériences. Cela ne signifie pas que l'on a de véritable raison de douter de leur validité. En effet, elles découlent de la théorie physiquephysique la plus précise et la mieux vérifiée que l'Homme connaisse, l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique, encore appelée QED (l'acronyme de quantum electrodynamics en anglais). Il existe différents processus de création et d'annihilation faisant intervenir des électrons, des positrons, des photons et des noyaux que l'on sait parfaitement décrire dans son cadre avec les fameux diagrammes de Feynmandiagrammes de Feynman, et qui ont été observés expérimentalement.

Ces diagrammes de Feynman dans l'espace-temps décrivent plusieurs phénomènes mettant en jeu des interactions et des annihilations entre photons et particules chargées comme les électrons, les positrons et parfois des noyaux (nucleus en anglais). La production de paires de particules de matière et d'antimatière à partir de photons dans le vide, prédite en 1934 par Breit et Wheeler, n'a encore jamais été observée directement en laboratoire sur Terre. © Oliver Pike, Imperial College London

De l'antimatière à partir de la lumière

L'un de ces processus est la création d'une paire positron-électron à partir d'un photon dans le voisinage d'un noyau. C'est le fameux processus de Bethe-Heitler. On sait donc qu'il est bien possible de créer de la matière à partir de la lumière, mais ce qui distingue le processus de Breit-Wheeler de celui de Bethe-Heitler, c'est que le premier peut se produire dans un espace initialement vide de matière, alors que le second nécessite la présence de particules chargées. Jusqu'à aujourd'hui donc, et comme le pensaient Breit et Wheeler, la réalisation et l'observation sur Terre de la transformation d'une paire de photons entrant en collision dans le vide en une paire de particules chargées comme un électron et un positron sont restées trop difficiles pour les expérimentateurs.

Mais un article publié récemment dans Nature Photonics par un groupe de physiciens de l'Imperial College London suggère qu'elle est peut-être à portée de main, si l'on s'y prend correctement. Les chercheurs étudiaient la physique des plasmas dans le cadre de leur recherches sur la fusion contrôléefusion contrôlée lorsqu'ils ont découvert par hasard, et à leur grande surprise, un protocoleprotocole expérimental très prometteur pour observer la création de paires de Breit-Wheeler (attention à ne pas confondre la section efficace de Breit-Wheeler pour cette production avec la distribution de Breit-Wigner, qui désigne complètement autre chose).

Le principe du dispositif expérimental qui devrait permettre de vérifier les idées de Breit et Wheeler sur la création de paires électron-positron avec des collisions de photons. Un faisceau d'électrons (electron beam) traverse une cible en or (gold target) où sont produits comme il est expliqué dans le texte ci-dessous des photons gamma (gamma-ray photons) et des paires de particules au voisinage des noyaux d'or. Les photons gamma pénètrent ensuite dans un hohlraum contenant du rayonnement thermique de corps noir (blackbody). © Oliver Pike et al., Nature

Collisionneur de photons dans un hohlraum

Voici la recette. Il faut d'abord commencer par générer un flux de rayons gammarayons gamma intense. Pour cela, un faisceau laserlaser intense est utilisé pour accélérer des électrons presque à la vitesse de la lumière. Ces électrons, possédant une énergie de 2 GeVGeV et que l'on qualifie d'ultrarelativistes, constituent un faisceau dirigé sur une cible fixe en or d'environ 5 mm de diamètre. En passant près des noyaux d'or, les électrons sont freinés par le champ électrostatiqueélectrostatique de ces noyaux et perdent en conséquence de l'énergie sous forme de photons gamma, selon un processus en QED que l'on appelle bremsstrahlung (ce qui signifie « rayonnement de freinage » en allemand).

Des champs magnétiqueschamps magnétiques dévient ensuite les électrons et les positrons qui pourraient avoir été créés par effet Bethe-Heitler à partir des photons gamma au voisinage des noyaux d'or pour ne plus laisser qu'un faisceau de photons gamma presque pur en sortie du dispositif. Ce faisceau entre alors dans un hohlraum rempli d'un bain de photons thermiques de plus basse énergie, constituant un rayonnement de corps noircorps noir. Rappelons qu'un hohlraum (mot allemand désignant généralement une « zone creuse » ou une cavité) est un dispositif qui a comme ancêtres les cavités utilisées pour faire des expériences sur le rayonnement du corps noir, mais que l'on emploie aussi de nos jours pour des expériences sur la fusion inertielle.

D'après les calculs des chercheurs, une seule impulsion laser accélérant des électrons à 4 GeV devrait produire environ 100.000 positrons dans le hohlraum. L'expérience serait réalisable rapidement avec les moyens technologiques modernes, et devrait permettre de vérifier que l'on comprend bien ce qui s'est passé dans l'univers primordial quelques secondes à quelques minutes après le temps de Plancktemps de Planck. On devrait aussi pouvoir mieux comprendre la pertinence de certains modèles avancés pour expliquer les sursautssursauts gamma ou des supernovae.