Un moyen d’extraire la lumière du vide de l’espace

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Des physiciens prédisent que tout en projetant des particules chargées à travers un champ électromagnétique, il devrait être possible de générer de la lumière à partir du vide.

Produire de la lumière dans le vide

En principe, cet effet pourrait fournir un nouveau moyen de tester la théorie fondamentale de l’électricité et du magnétisme, connue sous le nom d’électrodynamique quantique, la théorie la plus précise de toute la science. En pratique, pour détecter cet effet, il faudrait des lasers et des accélérateurs de particules bien plus puissants que ceux existants.

« Je suis assez confiant à propos de [cette prévision] simplement parce qu’elle combine des effets que nous comprenons très bien », a déclaré Ben King, un physicien des particules laser à l’Université de Plymouth au Royaume-Uni, qui n’a pas participé à cette nouvelle analyse. Cependant, dit-il, une démonstration expérimentale « est quelque chose de l’avenir ».

Les physiciens savent depuis longtemps que les particules chargées d’énergie peuvent émettre de la lumière quand elles traversent un milieu transparent tel que l’eau ou un gaz. Dans de tels milieux, la lumière se déplace plus lentement que dans un espace vide, permettant à une particule telle qu’un électron ou un proton d’aller potentiellement plus vite que la lumière.

Lorsque cela se produit, la particule génère une onde de choc électromagnétique, tout comme un jet supersonique crée une onde de choc dans l’air. Mais alors que l’onde de choc du jet crée un boom sonique, l’onde de choc électromagnétique crée une lumière appelée rayonnement Vavilov-Tcherenkov. En raison de cet effet, l’eau des cœurs des réacteurs nucléaires devient bleue et a été utilisée pour fabriquer des détecteurs de particules.

Obtenir cet effet en tirant des particules à travers un champ électromagnétique

Dino Jaroszynski, physicien à l’Université de Strathclyde à Glasgow, Royaume-Uni, et ses collègues, devraient toutefois pouvoir abandonner ce matériau et produire de la lumière Tcherenkov directement à partir du vide. Le truc consiste à tirer les particules à travers un champ électromagnétique extrêmement intense.

Selon la théorie quantique, le vide fonctionne avec des paires de particules et d’antiparticules qui vont et viennent trop rapidement pour pouvoir être observées directement. L’application d’un champ électromagnétique puissant peut toutefois polariser ces paires, poussant les particules positives et négatives dans des directions opposées. Les photons de passage interagissent ensuite avec ces paires de sorte que le vide polarisé agit un peu comme un milieu transparent dans lequel la lumière se déplace un peu plus lentement que dans un vide ordinaire, calculent Jaroszynski et ses collègues.

Une particule chargée d’énergie qui traverse un champ électromagnétique suffisamment puissant devrait produire un rayonnement Tcherenkov, a fait savoir l’équipe dans un article dans Journal Physical Review Letters. D’autres avaient suggéré que le rayonnement de Tcherenkov sous vide devrait exister dans certaines situations, mais ce nouveau travail adopte une approche plus fondamentale et globale, dit Adam Noble, physicien à Strathclyde.

Repérer le rayonnement Tcherenkov sous vide serait difficile. Tout d’abord, le vide polarisé ralentit la lumière d’une manière infime. Les champs électromagnétiques dans les impulsions de lumière laser les plus fortes réduisent la vitesse de la lumière d’environ un millionième de pour cent, estime Noble.

En comparaison, l’eau réduit la vitesse de la lumière de 25%. Deuxièmement, les particules chargées dans une spirale de champ électromagnétique émettent un autre type de lumière appelée rayonnement synchroton qui, dans la plupart des circonstances, devrait submerger le rayonnement de Tcherenkov.

Produire un rayonnement Tcherenkov par le biais de lasers de très haute intensité

Néanmoins, en principe, il devrait être possible de produire un rayonnement Tcherenkov sous vide en tirant des électrons ou des protons de haute énergie par le biais de superpositions d’impulsions émises par des lasers de très haute intensité, pouvant contenir un pétawatt, soit 1015 watts.

Toutefois, Jaroszynski et ses collègues estiment que, dans de tels champs, même les particules des accélérateurs d’énergie les plus élevés au monde produiraient beaucoup plus de rayonnement synchrotron que le rayonnement de Tcherenkov.

L’espace pourrait être un autre endroit où nous devrions rechercher cet effet. Les chercheurs prédisent que les protons d’extrêmement haute énergie traversant le champ magnétique intense d’une étoile à neutrons en rotation, également appelée pulsar, devraient produire plus de radiations Tcherenkov que de radiations synchrotrons.

Alice Harding, astrophysicienne au Centre de vol spatial Goddard de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, explique toutefois que les pulsars ne produisent pas beaucoup de protons de haute énergie. Les particules qui pénètrent dans le champ magnétique d’un pulsar devraient rapidement perdre de l’énergie au lieu de se déplacer. « Je ne suis pas très enthousiasmée par la perspective des pulsars », dit-elle.

Néanmoins, dit King, les expérimentateurs pourraient voir cet effet un jour. Les physiciens européens construisent actuellement un trio de 10 lasers à pétawatt en Roumanie, en Hongrie et en République tchèque.

Leurs homologues en Chine développent un laser de 100 pétawatts. Les scientifiques tentent également de créer des accélérateurs compacts entraînés par des lasers qui pourraient produire des faisceaux de particules hautement énergétiques et beaucoup moins coûteux. Si cela se produit, les physiciens pourraient peut-être détecter le rayonnement de vide de Tcherenkov, explique King.

Le but ultime de ces travaux est de tester la théorie de l’électrodynamique quantique

D’autres conçoivent différentes manières d’utiliser des lasers de haute puissance pour sonder le vide polarisé. Le but ultime de ces travaux est de tester l’électrodynamique quantique de nouvelles façons, explique King.

Les expérimentateurs ont confirmé que les prévisions de cette théorie sont précises à quelques milliards près. Mais la théorie n’a jamais été testée dans le domaine des champs extrêmement puissants, explique King, et de tels tests sont en train de devenir possibles. « L’avenir de ce domaine est très excitant. »

Source : Science
Crédit photo : Pixabay

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