(sakkmesterke/iStock/Getty Images Plus) Selon la théorie, si vous écrasez deux photons assez fort, vous pouvez générer de la matière : une paire électron-positon, la conversion de la lumière en masse selon la théorie d'Einstein relativité restreinte .
C'est ce qu'on appelle le processus Breit-Wheeler, mis au point par Gregory Breit et John A. Wheeler en 1934, et nous avons de très bonnes raisons de croire que cela fonctionnerait.
Mais l'observation directe du phénomène pur impliquant seulement deux photons est restée insaisissable, principalement parce que les photons doivent être extrêmement énergétiques (c'est-à-dire des rayons gamma) et nous n'avons pas encore la technologie pour construire un laser à rayons gamma.
Maintenant, les physiciens du Brookhaven National Laboratory disent avoir trouvé un moyen de contourner cette pierre d'achoppement en utilisant le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) de l'installation - résultant en une observation directe du processus de Breit-Wheeler en action.
'Dans leur article, Breit et Wheeler ont déjà réalisé que c'était presque impossible à faire', dit le physicien Zhangbu Xu du laboratoire de Brookhaven.
« 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.
Mais qu'est-ce que les ions accélérés ont à voir avec les collisions de photons ? Eh bien, nous pouvons expliquer.
Le processus implique, comme le nom du collisionneur l'indique, l'accélération d'ions - des noyaux atomiques dépouillés de leurs électrons. Parce que les électrons ont une charge négative et que les protons (dans le noyau) ont une charge positive, leur décapage laisse le noyau avec une charge positive. Plus l'élément est lourd, plus il contient de protons et plus la charge positive de l'ion résultant est forte.
L'équipe a utilisé des ions d'or, qui contiennent 79 protons, et une charge puissante. Lorsque les ions d'or sont accélérés à des vitesses très élevées, ils génèrent un champ magnétique circulaire qui peut être aussi puissant que le champ électrique perpendiculaire dans le collisionneur. Là où ils se croisent, ces champs égaux peuvent produire des particules électromagnétiques, ou photons.
'Ainsi, lorsque les ions se déplacent près de la vitesse de la lumière, il y a un tas de photons entourant le noyau d'or, voyageant avec lui comme un nuage', Xu a expliqué .
Au RHIC, les ions sont accélérés à des vitesses relativistes - celles qui représentent un pourcentage significatif de la vitesse de la lumière. Dans cette expérience, les ions d'or ont été accélérés à 99,995 % de la vitesse de la lumière.
C'est là que la magie opère : lorsque deux ions se manquent, leurs deux nuages de photons peuvent interagir et entrer en collision. Les collisions elles-mêmes ne peuvent pas être détectées, mais les paires électron-positon qui en résultent le peuvent.
Cependant, il ne suffit pas non plus de simplement détecter une paire électron-positon.
Diagramme montrant comment le quasi-accident des ions d'or produit des collisions de photons. (Laboratoire de Brookhaven)
C'est parce que les photons produits par l'interaction électromagnétique sont virtuel photons, apparaissant brièvement dans et hors de l'existence, et sans la même masse que leurs homologues 'réels'.
Pour être un véritable processus Breit-Wheeler, deux photons réels doivent entrer en collision - pas deux photons virtuels, ni un photon virtuel et un photon réel.
Aux vitesses relativistes des ions, les particules virtuelles peuvent se comporter comme de vrais photons. Heureusement, il existe un moyen pour les physiciens de dire quelles paires électron-positon sont générées par le processus de Breit-Wheeler : les angles entre l'électron et le positon dans la paire générée par la collision.
Chaque type de collision - virtuel-virtuel, virtuel-réel et réel-réel - peut être identifié en fonction de l'angle entre les deux particules produites. Les chercheurs ont donc détecté et analysé les angles de plus de 6 000 paires électron-positon générées au cours de leur expérience.
Ils ont découvert que les angles correspondaient à des collisions entre de vrais photons - le processus Breit-Wheeler en action.
«Nous avons également mesuré toute l'énergie, les 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 le physicien Daniel Brandenburg du laboratoire de Brookhaven.
«Nos résultats fournissent des preuves claires de la création directe en une seule étape de la matière- antimatière paires de collisions de lumière comme initialement prédit par Breit et Wheeler.'
On pourrait très raisonnablement faire valoir que nous n'aurons pas de direct première détection du processus de Breit-Wheeler photon-photon pur et unique jusqu'à ce que nous heurtions des photons approchant l'énergie des rayons gamma.
Néanmoins, le travail de l'équipe est très convaincant - à tout le moins, cela montre que nous aboyons dans le bon sens avec Breit et Wheeler.
Nous continuerons à surveiller cet espace, avidement.
La recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique .