Cet article a été rédigé par Gianluca Sarri, maître de conférences à la School of Mathematics and Physics de la Queen’s University Belfast. Il a été initialement publié par The Conversation.
L’un des grands mystères de la physique est de savoir pourquoi notre Univers contient plus de matière que d’antimatière, qui est l’équivalent de la matière mais avec une charge opposée. Pour répondre à cette question, notre équipe internationale de chercheurs est parvenue à créer un plasma composé de quantités égales de matière et d’antimatière – une condition qui, selon nous, constituait l’Univers primitif.
La matière telle que nous la connaissons se présente sous quatre états différents : solide, liquide, gaz et plasma d’antimatière, dans lequel il existe une symétrie complète entre les particules négatives (électrons) et les particules positives (positrons). Le plasma d’ antimatière est un gaz très chaud dans lequel les atomes ont été dépouillés de leurs électrons. Mais il existe aussi un cinquième état, exotique, celui de la matière
Ce pulsar particulier. On pense également qu’il a été le constituant fondamental de l’Univers à ses débuts, notamment lors du Big Bang. état de matière serait présent dans l’atmosphère d’objets astrophysiques extrêmes, comme les trous noirs et l’ère leptonique, qui commence environ une seconde après le
L’un des problèmes posés par la création de particules de matière et d’antimatière est qu’elles se détestent fortement, disparaissant dans un éclat de lumière dès qu’elles se rencontrent. Cependant, cela ne se produit pas immédiatement, et il est possible d’étudier le comportement du plasma pendant la fraction de seconde où il est vivant.
Comprendre comment la matière se comporte dans cet état exotique est crucial si nous voulons comprendre comment notre Univers a évolué et, en particulier, pourquoi l’Univers tel que nous le connaissons est constitué principalement de matière. Il s’agit d’une caractéristique déconcertante, car la théorie de la mécanique quantique relativiste suggère que nous devrions avoir des quantités égales des deux. En fait, aucun modèle actuel de la physique ne peut expliquer cette divergence.
Malgré son importance fondamentale pour notre compréhension de l’Univers, un plasma électron-positron n’avait jamais été produit auparavant en laboratoire, pas même dans d’énormes accélérateurs de particules tels que le CERN. Notre équipe internationale, composée de physiciens du Royaume-Uni, d’Allemagne, du Portugal et d’Italie, a finalement réussi à résoudre le problème en changeant complètement notre façon de voir ces objets.
Au lieu de concentrer notre attention sur les immenses accélérateurs de particules, nous nous sommes tournés vers les lasers ultra-intenses disponibles au Central Laser Facility du Rutherford Appleton Laboratory dans le Oxfordshire, au Royaume-Uni. Nous avons utilisé une chambre à ultravide avec une pression d’air correspondant à un centième de millionième de notre atmosphère pour envoyer une impulsion laser ultrabrève et intense (cent milliards de milliards plus intense que la lumière du soleil à la surface de la Terre) sur un gaz d’azote. Cette impulsion a arraché les électrons du gaz et les a accélérés à une vitesse extrêmement proche de celle de la lumière.
Le faisceau est ensuite entré en collision avec un bloc de plomb, ce qui les a à nouveau ralentis. En ralentissant, ils ont émis des particules de lumière, les photons, qui ont créé des paires d’électrons et leur antiparticule, le positron, lorsqu’ils sont entrés en collision avec les noyaux de l’échantillon de plomb. Une réaction en chaîne de ce processus a donné naissance au plasma.
Cependant, cette réussite expérimentale n’a pas été sans effort. Le faisceau laser a dû être guidé et contrôlé avec une précision de l’ordre du micromètre, et les détecteurs ont dû être finement calibrés et protégés, ce qui a entraîné de longues nuits fréquentes dans le laboratoire.
Mais le jeu en valait la chandelle, car ce développement ouvre la voie à une branche passionnante de la physique. Outre l’étude de l’importante asymétrie matière-antimatière, en examinant comment ces plasmas interagissent avec des faisceaux laser ultra puissants, nous pouvons également étudier la façon dont ce plasma se propage dans le vide et dans un milieu de faible densité. Cela reviendrait à recréer des conditions similaires à la génération des sursauts gamma, certains des événements les plus lumineux jamais enregistrés dans notre Univers.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l’article original.