Une nouvelle technique, simulée par ordinateur pour l'instant, pourrait permettre de générer de l'antimatière assez facilement en laboratoire, en convertissant la lumière avec des impulsions lasers de très haute intensité.

Non, générer de l’antimatière dans un laboratoire n’est pas l’apanage des plans diaboliques des super-vilains dans les comics. En réalité, il s’agit surtout pour les scientifiques de reproduire certains processus physiques extrêmes qui ont lieu dans l’espace — par exemple les conditions environnementales des étoiles à neutrons à rotation rapide de type pulsars et des trous noirs. Dans Communication Physics, une équipe de quatre physiciens expliquent avoir développé une méthode innovante pour produire des jets d’antimatière. L’étude a été publiée en juin 2021 et détaillée le 22 juillet sur le site du laboratoire.

Cette technique, encore théorique, serait très simple et, grâce à elle, « un jet d’antimatière est généré et accéléré très efficacement », expliquent les physiciens. Or, l’antimatière s’avère justement très difficile à produire, et encore davantage à maintenir, dans les conditions d’un laboratoire. Elle fait partie des mystères de l’Univers encore difficiles à décrypter. Matière et antimatière sont en miroir : chaque particule a une antiparticule, mais avec des caractéristiques inversées, une charge exactement opposée (le positron, chargé négativement, est l’antiparticule de l’électro, particule chargée positivement).

« Et là, il advient quelque chose de fou »

Les physiciens ont simulé leur idée par ordinateur, raison pour laquelle la technique est donc encore théorique. Mais les résultats sont encourageants et favorables à une mise en pratique, que les auteurs espèrent pour bientôt dans l’un des rares laboratoires où ce serait possible — comme l’Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics, un projet encore en construction, qui hébergera les lasers les plus puissants au monde. En l’occurrence, de tels lasers seraient essentiels : la méthode développée dans l’étude consiste à mobiliser deux lasers de haute intensité pour reproduire un phénomène énergétique similaire à ce qu’il peut advenir dans l’environnement (type magnétosphère) d’une étoile à neutrons. Il s’agit de convertir de la lumière en matière afin d’obtenir de l’antimatière grâce à cette matière.

Les différents stades dans la densité du plasma (le nuage d’électrons) (en gris) au fil de l’irradiation par les lasers. En couleur, la densité des photons gamma générés par les collisions. // Source : Toma Toncian

Pour ce faire, on trouve, au milieu de l’expérience, un bloc en plastique qui est creusé à l’échelle micrométrique (une taille de millièmes de millimètres) de plusieurs canaux entrecroisés. Il y a un laser à haute intensité à gauche et le même à droite — les deux lasers se font face avec le cube entre eux. Chacun de ces deux lasers tire des impulsions puissantes en direction du bloc de plastique. Ces impulsions pénètrent à l’intérieur des canaux, générant un nuage d’électrons hautement accélérés.

Au sein du cube, le nuage d’électrons du laser de gauche entre violemment en collision avec le nuage d’électrons du laser de droite. L’impact entre les deux nuages est si puissant que l’énergie libérée génère à son tour un nuage de photons gamma, qui ont l’énergie lumineuse la plus haute — plus encore que les rayons X. C’est alors le moment déterminant de la méthode, qui repose sur la théorie de la relativité : « Et là, il advient quelque chose de fou : en accord avec la célèbre formule d’Einstein, E=mc2, l’énergie de la lumière peut se transformer en matière. » Or, souvenez-vous : les particules de matière viennent avec leurs antiparticules d’antimatière. De fait, lors de leurs collisions, ces photons très énergétiques sont censés générer des paires électrons-positrons : l’électron est une particule, relevant de la matière, là où le positron est une antiparticule, et constitue donc de l’antimatière.

En accord avec tous les principes de la physique, et ce qui se trouve confirmé avec la simulation informatique avancée, cette méthode permettrait alors bel et bien de générer de l’antimatière tout en générant de la matière. Enfin, elle pourrait bien offrir un autre avantage : tout ce processus provoque des champs magnétiques, ce qui « concentre les positrons dans un faisceau et les accélère fortement ». Pour les scientifiques, ces jets concentrés offrent potentiellement des conditions expérimentales exceptionnelles pour étudier l’antimatière. Et ce, plus facilement que d’habitude : avec cette méthode, jusqu’à 100 000 positrons de plus pourraient être générés par rapport aux techniques actuelles ; et sur une distance de 50 micromètres, les particules atteignent 1 gigaélectronvolt, soit une puissance qui requiert normalement un accélérateur de particules.

Cette technique va-t-elle enfin nous ouvrir les portes des phénomènes astrophysiques les plus extrêmes, comme ceux qui ont lieu au cœur des magnétosphères des pulsars ? « Avec notre nouveau concept, de tels phénomènes pourraient être simulés en laboratoire, du moins dans une certaine mesure, ce qui nous permettrait ensuite de mieux les comprendre », conclut Alexey Arefiev, l’un des physiciens à l’origine de la méthode. Il ne reste plus qu’à la tester en pratique, mais il faut bien commencer quelque part.

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