L'Université de Lancaster au Royaume-Uni obtient un financement de l'EPSRC pour étudier la production d'antimatière dans des impulsions laser intenses

Christopher Arran, maître de conférences à l'Université de Lancaster et à l'Institut Cockcroft au Royaume-Uni, a récemment obtenu une subvention de trois ans dans le cadre du prix Nouveau Chercheur du Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques (EPSRC) du Royaume-Uni, pour mener des recherches sur la production de paires électron-positron dans les champs électromagnétiques extrêmement intenses des lasers de haute puissance.

Cette recherche se concentre sur le processus de production matière-antimatière dans des conditions d'impulsions laser intenses. Des interactions similaires sont considérées comme existant dans des environnements extrêmes de l'univers, tels que les pulsars et les environs des disques d'accrétion des trous noirs. Auparavant, ces interactions n'avaient été mesurées que dans de grandes installations d'accélérateurs de particules telles que l'Université de Stanford et le CERN, mais les intensités des champs électriques et magnétiques utilisées à l'époque étaient bien inférieures aux conditions de champ intense atteignables avec les lasers de haute puissance actuels.

La base physique de cette recherche est étroitement liée à l'équation de masse-énergie d'Einstein, E=mc². Cette équation est généralement utilisée pour expliquer la conversion de la masse en énergie dans la fusion et la fission nucléaires. Dans les expériences avec lasers intenses, les chercheurs tentent d'exploiter cette relation dans le sens inverse : en focalisant un laser d'intensité suffisamment élevée sur des rayons gamma de haute énergie, l'énergie est convertie en masse, produisant ainsi des paires matière-antimatière à partir du champ lumineux.

Dans le processus de Breit-Wheeler non linéaire, l'interaction de multiples photons peut produire des paires électron-positron. À mesure que l'intensité des faisceaux des lasers les plus puissants au monde ne cesse d'augmenter, les champs laser ont atteint un niveau où des centaines de photons peuvent être comprimés dans le rayon d'un seul électron. Dans ces conditions, l'interaction photonique entre dans un état dit « non perturbatif », qui ne peut plus être décrit par un modèle de collision unique.

Arran a déclaré que les lasers intenses révèlent de nouveaux phénomènes physiques et que la mesure directe de « comment la lumière produit de la matière » revêt une importance significative. En raison de l'extrême intensité des champs électromagnétiques, l'équipe de recherche étudiera ce processus comme un processus de tunneling quantique, c'est-à-dire la conversion de paires électron-positron « virtuelles » du vide en électrons et positrons réels mesurables sous l'effet du champ intense. Les chercheurs estiment que cela pourrait correspondre aux processus se déroulant dans les environnements les plus extrêmes de l'univers, et le financement de l'EPSRC fournira les conditions pour mesurer ces processus dans des laboratoires terrestres.

 

Schéma de l'expérience de production matière-antimatière, montrant comment deux faisceaux laser sont utilisés pour générer des rayons gamma et des paires électron-positron. L'image de droite montre l'expérience réelle, vue depuis le laser pilote.

Selon le plan de recherche, l'équipe utilisera deux faisceaux laser pour mener l'expérience : un faisceau laser sera utilisé pour accélérer des électrons de haute énergie par accélération par sillage laser dans un plasma ; l'autre faisceau laser sera focalisé à une échelle bien inférieure à la largeur d'un cheveu afin d'obtenir l'intensité la plus élevée possible. En faisant entrer en collision le faisceau d'électrons avec la seconde impulsion laser, l'expérience devrait produire des rayons gamma de haute énergie ainsi que des paires électron-positron.

L'équipe de recherche mesurera les signaux du faisceau d'électrons, des rayons gamma et des positrons afin de mieux comprendre le processus de tunneling quantique en champ intense et de fournir une base expérimentale pour l'étude des mécanismes physiques dans les environnements extrêmes de l'univers. Concernant la conception expérimentale associée, en particulier les défis clés tels que le contrôle temporel et l'alignement des faisceaux dans les expériences avec lasers de haute puissance, les résultats de recherche d'Arran et de ses collaborateurs ont été publiés dans le Journal of New Physics.