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Article.
Générer de la matière et de l'antimatière à partir du vide

Jean-Paul Baquiast - 12/12/2010


Paul Dirac

Décidément, la question de savoir si et comment quelque chose pourrait apparaître à partir de rien est à l'ordre du jour. Cette apparition bien sûr ne procéderait pas de l'opération du Saint Esprit, mais de processus physiques reproductibles.

Dans un article précédent, nous avions signalé les hypothèses d'un physicien et d'un biologiste pour qui des états extrêmes de la matière, dits de la "matière condensée", pourraient faire émerger au sein de l'univers des formes physiques capables de se répliquer (et sans doute aussi de muter) sans faire appel, au moins dans un premier temps, aux composés de la chimie organique développés par la vie biologique terrestre.

Les recherches dont nous parlons ci-dessous, ayant donné lieu à un article publié par les Physical Review Letters [voir référence en bas de cette page] vont encore plus loin. Elles sont présentées comme une véritable révolution théorique (theoretical breakthrough). Bien que menées principalement aux Etats-Unis, signalons qu'elles impliquent aussi des physiciens français.

De quoi s'agit-il ?
Les scientifiques présentent ici un modèle théorique. Mais s'ils n'ont pas réalisé de dispositif expérimental concret qui permettrait de tester leurs idées, ce modèle, comme on le verra, pourraît être mis à l'épreuve dans des conditions accessibles. Nous sommes donc loin des théories mathématiques non testables qui foisonnent dans la physique et la cosmologie théorique, autour notamment de la théorie des cordes.

Selon les auteurs, en utilisant un rayon laser de très forte intensité et un accélérateur linéaire de 3218 mètres de long (2 miles), il serait possible de créer quelque chose à partir de rien. Leurs équations montrent comment un flux d'électrons hautement énergétiques propulsé par un puissant laser pourrait faire apparaître la matière et l'antimatière inclues dans ce que les physiciens nomment "le vide", faute d'autre terme plus adéquat. Ce vide est si peu vide que dissocié par le rayon laser mentionné, il peut générer des paires de particules et d'antiparticules, c'est-à-dire de la matière à proprement parler.

Rappelons que les électrons de haute énergie sont ceux émis par une source elle-même très énergique, par exemple une lampe à arc comparée à une lampe de poche. Quant au laser, "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" il s'agit d'une source émettant une lumière monochromatique, très directionnelle et dont les faisceaux sont quasi parallèles. On peut la guider sur de longues distances et la concentrer (grâce à des lentilles ou tout autre dispositif analogue) pour obtenir de très grandes puissances.

Igor Sokolov, l'un des auteurs de l'article et responsable de la recherche, annonce qu'il est dorénavant possible de calculer comment plusieurs centaines de particules peuvent être produites à partir d'un seul électron. On suppose que c'est ce qui se passe dans l'univers autour des pulsars et des étoiles à neutrons. Pour comprendre cela, écrit Sokoloff, il faut se persuader que le vide, ou le rien, ou le néant, n'est pas vide. Comme l'avait prédit le physicien théoricien Paul Dirac, il résulte d'une combinaison très dense de matière et d'antimatière, de particules et d'antiparticules.

Les particules composant l'antimatière ont des charges opposées à celles des particules jouant le même rôle dans la matière. La matière comprend les protons, positifs, et les électrons, négatifs. L'antimatière comprend donc les antiprotons, négatifs, et les antiélectrons (ou positrons), positifs. On trouve aussi des particules d'antimatières de charge nulle (par exemple les antineutrons). Dans le modèle standard des particules élémentaires, à chaque particule correspond une antiparticule. Une particule élémentaire de charge nulle peut être sa propre antiparticule : c'est le cas du photon. Les particules de matière et d'antimatière s'annihilent lorsqu'elles entrent en contact dans les conditions ordinaires. Elles sont alors intégralement converties en énergie radiative (deux photons) suivant le total des masses en interaction (conformément à la formule E=mc2)

Dans le vide de Paul Dirac, la densité des particules et antiparticules est considérable. On ne peut les distinguer les unes des autres car leurs effets observables, tenant notamment à leurs annihilations, s'additionnent. Par contre, dans un fort champ électromagnétique, leurs annihilations, correspondant à la création de vide, peuvent être la source d'émission de nouvelles particules observables, des photons gamma de très haute énergie, pouvant produire des électrons et positrons supplémentaires.

Une expérience conduite dans un accélérateur de particule à la fin des années 1990 avait permis de générer des photons gamma et quelques paires électron-positron occasionnelles, à partir du vide. En s'appuyant sur ces résultats, les nouvelles équations proposées par les chercheurs montrent comment un fort champ laser pourrait provoquer la création d'un plus grand nombre de particules que celles injectées dans l'accélérateur.

Si, selon Sokolov, un électron peut se transformer en 3 particules dans un très court laps de temps, cela prouve qu'il n'est pas un électron tel que défini par la théorie actuelle. Selon cette dernière, il serait condamné à rester un électron quoi qu'il arrive. Ce qui ne serait plus le cas en application des équations proposées, puisque un électron à forte charge électrique se révèlerait composé de trois particules additionnées d'un certain nombre de photons.

Des retombées philosophiques considérables

Les chercheurs ont proposé de développer un instrument permettant de mettre ces équations en applications à très petite échelle. Il s'agirait d'un laser de type HERCULES (University of Michigan Center for Ultrafast Optical Science) considéré en 2008 comme le plus puissant du monde. Il devrait être associé à un accélérateur de particules tel que celui dont dispose le Standford Linear Accelerator Center (ou SLAC National Accelerator Laboratory).

Comme son nom l'indique, unaccélérateur linéaire accélère les particules dans un très long couloir et non dans un cercle, comme le fait le LHC européen. Le projet d'un tel très grand accélérateur linéaire a été présenté par les physiciens des particules. Mais, pour le réaliser, il faudrait réunir un consortium d'Etats qui n'a pas pu encore être constitué (le soutien aux banques étant sûrement considéré d'une toute autre urgence).

Quoi qu'il en soit, bien qu'elle soit de bien moindre coût, l'installation proposée par les auteurs de l'article n'est pas actuellement prévue. Elle pourrait cependant avoir des applications industrielles nombreuses, notamment dans le domaine de fusion atomique par confinement. Mais si les résultats des expériences confirmaient les hypothèses théoriques, ses retombées en physique théorique et même dans la perception philosophique de l'univers seraient d'une toute autre importance.
Une réponse pourrait enfin être apportée à la question des origines de l'univers: comment le Tout a-t-il pu provenir de Rien ?

Nous allons présenter prochainement dans ces colonnes le dernier ouvrage du physicien Etienne Klein qui aborde cette question: («Discours sur l'origine de l'univers», Flammarion. 2010). Il y montre comment les croyances traditionnelles concernant le Big Bang sont actuellement profondément remises en cause et actualisées.
Resterait cependant à démontrer expérimentalement comment du vide, ou plutôt du plein initial, pourrait provenir la matière ordinaire, celle dont nous sommes tous composés, celle dont d'éventuels entités vivantes extraterrestres pourraient sans doute aussi être composées.
Dans ce cadre,il serait également possible d'imaginer comment pourraient apparaître et se développer, éventuellement dans notre propre galaxie, des mondes faits entièrement d'antimatière.

C'est pour répondre à de telles questions qu'il apparaît urgent de mettre en place le dispositif suggéré par les auteurs de l'article, même si seraient alors exigées des dépenses de quelques millions de dollars.

Pour en savoir plus sur les auteurs:
* Igor Sokolov, Space Physics Research Laboratory, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109, USA
* Natalia Naumova, Laboratoire d’Optique Appliquée, UMR 7639 ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS, 91761 Palaiseau, France
* John Nees, Center for Ultrafast Optical Science and FOCUS Center, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109, USA
* Gérard Mourou, Institut de la Lumière Extrême, UMS 3205 ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS, 91761 Palaiseau, France

Références

Phys. Rev. Lett. 105, 195005 (2010) Pair Creation in QED-Strong Pulsed Laser Fields Interacting with Electron Beams
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i19/e195005
Voir aussi http://ns.umich.edu/htdocs/releases/story.php?id=8167

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