Comment la lumière interagit-elle avec la matière à des intensités extrêmes, près de la limite de Schwinger ?

10 juin 2024

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

La génération expérimentale de faisceaux de lumière de plus en plus intenses pourrait aider à révéler de nouveaux régimes physiques survenant en présence de champs électromagnétiques très forts. Bien que certains progrès aient été réalisés dans cette direction, les physiciens n'ont pas encore mis au point une stratégie fiable pour atteindre des intensités lumineuses extrêmes.

Des chercheurs du LIDYL, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay ont récemment proposé une méthode réaliste pour atteindre des intensités lumineuses sans précédent dans des configurations expérimentales, en utilisant des lasers à effet doppler très focalisés. Cette méthode, décrite dans un article publié dans Physical Review Letters, a été théoriquement trouvée pour permettre des interactions lumière-matière proches de la limite de Schwinger.

"L'article exploite une idée qui est apparue dans notre équipe au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA-LIDYL) en France en 2019 et qui a été largement étudiée depuis lors en collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory (en particulier en ce qui concerne les aspects de modélisation)", ont déclaré Henri Vincenti et Neil Zaim, co-auteurs de l'article, à Phys.org.

"Dans le cadre de cette collaboration, nous concevons une nouvelle technique pour produire une source de lumière d'une intensité sans précédent et nous nous interrogeons sur la manière dont une telle source de lumière pourrait être utilisée pour explorer le régime des champs forts de l'électrodynamique quantique (SF-QED)."

La QED, la théorie quantique relativiste de l'électrodynamique, est l'une des théories de la physique les plus précisément testées. Son régime à champ fort, cependant, reste largement inexploré, en raison des difficultés actuelles à le sonder expérimentalement.

"La théorie du SF-QED a été développée il y a des décennies et prévoit l'émergence de nouveaux régimes physiques en présence de champs électromagnétiques très forts, où l'émission de rayons gamma et la production de paires d'antimatières (électrons-positrons) prédominent et où même la propagation de la lumière dans le vide devient non linéaire", ont déclaré Vincenti et Zaim.

"Par exemple, un faisceau de lumière intense peut modifier la propagation d'un autre faisceau de lumière qui croise son chemin, un régime non décrit par les équations de Maxwell qui sont linéaires par essence."

On théorise que les régimes à champ fort se produisent à proximité d'objets astrophysiques massifs, tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons, ainsi que lors d'événements astrophysiques extrêmes, tels que les sursauts de rayons gamma. Ces phénomènes cosmologiques ne sont pas encore totalement compris, il serait donc très instructif d'étudier les régimes extrêmes qui leur sont associés dans un contexte de laboratoire.

Jusqu'à présent, cependant, les scientifiques n'ont pas réussi à reproduire les régimes dominés par le SF-QED dans un contexte expérimental. Les quelques expériences qui ont tenté de le faire s'appuyaient sur des accélérateurs de particules de grande échelle, mais elles n'ont pu détecter qu'un petit nombre de processus SF-QED.

"Ces régimes sont difficiles à reproduire dans un contexte de laboratoire car les phénomènes SF-QED se produisent lorsque les champs électromagnétiques approchent la soi-disant limite de Schwinger (~1018 V/m ou équivalente ~1029 W/cm2) ; des ordres de grandeur supérieurs à la technologie laser de pointe actuelle, qui peut 'seulement' produire des intensités allant jusqu'à ~1023 W/cm2", ont déclaré Vincenti et Zaim.

"En fait, on considère souvent qu'il est impossible d'atteindre le champ de Schwinger dans le cadre de laboratoire. Ainsi, toutes les expériences passées et proposées comptent sur l'atteinte de la limite de Schwinger uniquement dans le cadre de repos des particules très énergétiques."

Vincenti, Zaim et leurs collègues espèrent que leur technique proposée pour générer une lumière très intense ouvrira de nouvelles opportunités pour la recherche. Plus spécifiquement, elle pourrait finalement permettre aux physiciens d'approcher la soi-disant limite de Schwinger dans un contexte de laboratoire.

"Dans notre article de 2019, nous avons validé avec des simulations numériques de pointe la faisabilité de notre technique d'amplification de la lumière", ont déclaré Vincenti et Zaim.

"Nos simulations ont indiqué que cette méthode pourrait augmenter l'intensité d'un laser PW de 2 à 5 ordres de grandeur, rendant potentiellement la plage d'intensité 1025-1028 W/cm2 à la portée de la technologie laser actuelle. Dans un article publié en 2021 dans Nature Physics, nous avons obtenu une première confirmation expérimentale de ce résultat avec une intensité plus modérée (~1019 W/cm2) laser de classe terawatt (TW)."

Dans un autre article publié en 2021, Vincenti et ses collaborateurs ont présenté les résultats d'autres simulations numériques. Ces résultats ont démontré que même aux plus faibles intensités qu'ils espèrent atteindre grâce à leur méthode proposée (~1025 W/cm2), la lumière boostée serait suffisante pour déclencher beaucoup plus de phénomènes SF-QED que ceux sondés par un laser PW conventionnel.

'Cela pourrait conduire à un nouveau type d'expériences SF-QED dans les années à venir,' ont déclaré Vincenti et Zaim. 'Dans ce cas, cependant, nous sommes encore des ordres de grandeur loin d'atteindre la limite de Schwinger dans le cadre du laboratoire, car elle n'est dépassée que dans le cadre de repos des particules énergétiques.'

Alors que les chercheurs avaient déjà réalisé diverses simulations numériques pour valider théoriquement leur approche, l'une de ses applications potentielles restait à explorer. Plus précisément, l'équipe n'avait pas encore exploré son potentiel pour approcher la limite de Schwinger dans un cadre de laboratoire.

'Cela correspond aux intensités les plus élevées que nous espérons atteindre avec notre technique de renforcement de la lumière (~1028 W/cm2),' ont déclaré Vincenti et Zaim. 'L'objectif de ce nouveau papier était d'explorer les scénarios physiques qui entrent en jeu dans ces territoires inexplorés, en utilisant des outils numériques de pointe. De tels résultats sont très importants pour motiver, définir et préparer les futures générations d'expériences SF-QED.'

Pour produire une lumière d'une intensité sans précédent, la technique proposée par Vincenti et ses collègues exploite l'interaction entre un laser PW et une cible solide plate, qui est ionisée en plasma. Plus précisément, les chercheurs ont proposé de frapper une cible solide optiquement polie avec un faisceau laser d'intensité ultra-élevée, ce qui conduit à la formation d'un soi-disant miroir plasma.

Ce miroir plasma reflète la lumière incidente et est également déplacé par le champ laser intense. Ce mouvement entraîne la compression temporaire de l'impulsion laser réfléchie, qui est ensuite convertie en une longueur d'onde plus courte par l'effet Doppler. La pression de radiation du laser donne au miroir plasma une courbure naturelle, focalisant le faisceau dopplerisé sur des points plus petits et produisant théoriquement des gains d'intensité de plus de trois ordres de grandeur dans ces points.

'L'ingrédient supplémentaire clé nécessaire pour atteindre les intensités les plus élevées approchant la limite de Schwinger (disons ~1028 W/cm2, plutôt que ~1025 W/cm2), est la capacité de focaliser la lumière renforcée sur son volume le plus petit possible,' ont expliqué Vincenti et Zaim.

'Nous explorons actuellement plusieurs voies pour obtenir une telle focalisation serrée dans les expériences, par exemple en utilisant des optiques d'ultraviolets extrêmes à refocalisation externe. Certaines de ces techniques semblent déjà très prometteuses et feront l'objet de futures publications.'

Dans leur récent article, Vincenti et Zaim n'ont fait aucune hypothèse sur la méthode utilisée pour focaliser étroitement la lumière dopplerisée, car cela leur permettrait de représenter diverses options potentielles dans leurs simulations numériques. Au lieu de cela, ils ont simplement supposé qu'ils pourraient focaliser la lumière sur son volume le plus petit possible (c'est-à-dire sa limite de diffraction).

'Les résultats que nous avons obtenus sont très excitants, car ils montrent qu'en approchant la limite de Schwinger dans le cadre du laboratoire, on aboutit à de nouveaux scénarios d'interactions lumière-matière extrêmement riches, à la frontière de la physique moderne,' ont déclaré Vincenti et Zaim.

'La simple interaction entre notre lumière renforcée et une cible solide conduit à une profusion d'événements SF-QED qui dominent la physique. Typiquement, entre 30% et 50% de l'énergie de la lumière renforcée est convertie en rayons gamma et en paires électron-positron en quelques dizaines de femtosecondes par des processus SF-QED.'

Les simulations numériques réalisées par les chercheurs ont également montré que leur méthode conduit à la génération de photons gamma et de paires électron-positron groupés en boules de feu denses qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Bien que ces boules de feu aient une courte vie d'environ 1 fs, l'équipe pense qu'elles pourraient imiter les jets d'électrons/positrons qui existent à proximité des trous noirs et des étoiles à neutrons, ce qui aiderait à dévoiler l'origine du rayonnement qu'ils émettent.

'Aux intensités les plus élevées que nous pourrions raisonnablement envisager (>1028 W/cm2), nous avons découvert que la physique devient encore plus radicale : des réactions en chaîne de création de particules commencent à se produire,' ont déclaré Vincenti et Zaim.

'En d'autres termes, les photons et les paires électron-positron créent eux-mêmes de nouveaux photons et des paires, augmentant exponentiellement la densité des boules de feu jusqu'à plus de 5 000 fois la densité d'un solide. Il n'est pas trop déraisonnable de penser qu'un tel mécanisme de réaction en chaîne a le potentiel de donner naissance à de nouvelles sources avancées de rafales de rayons gamma et d'antimatière.'

Vincenti, Zaim et ses collègues ont théoriquement montré que la collision de leur lumière dopplerisée avec un faisceau d'électrons énergétiques provenant d'un accélérateur de particules pourrait également conduire à des résultats intéressants. Dans cette configuration, en fait, le champ dans le cadre de repos des électrons devient si élevé que la théorie perturbative développée pour le SF-QED s'effondre.

'En d'autres termes, nous n'avons aucune idée de ce qui se passerait dans une telle expérience,' ont expliqué Vincenti et Zaim.

«Ce manque de cadre théorique est probablement dû à la fois à la complexité mathématique de la théorie quantique non perturbatrice des champs et au fait que les chercheurs ont pensé pendant de nombreuses années qu'il serait impossible d'atteindre des champs électriques aussi élevés dans le cadre de repos d'un électron.» Nous pensons que ce type de résultats ravivera davantage l'intérêt pour le régime non perturbateur du SF-QED et stimulera le développement de nouveaux cadres théoriques ou numériques mieux adaptés à ce régime.

Les résultats rassemblés jusqu'à présent par les chercheurs suggèrent que la réalisation d'expériences proches de la limite de Schwinger donnerait de nouveaux résultats passionnants qui pourraient grandement contribuer aux domaines de la physique des plasmas et du QED. Dans leurs prochaines études, ils prévoient de commencer à appliquer la méthode proposée dans des expériences réelles, en collaboration avec les principales installations laser du monde entier.

"Le principal défi que nous prévoyons est de produire réellement les intensités lumineuses les plus élevées possibles (jusqu'à 1 028 W/cm2) dans un environnement réel avec des imperfections expérimentales (laser et ciblage) et une durée de faisceau limitée", ont déclaré Vincenti et Zaim. «L'identification et l'atténuation des obstacles qui nous attendent nécessiteront la combinaison d'une expertise théorique, numérique et expérimentale.»

Les chercheurs prévoient que lors des premières expériences, ils seront capables de créer une lumière amplifiée avec des intensités autour de 1 025 W/cm2. Même si ces intensités seraient encore loin de la limite de Schwinger, elles constitueraient tout de même un record mondial, ouvrant la voie à des expériences SF-QED à fort impact qui n'ont jamais été réalisées auparavant.

«Nous profiterions alors des retours d'expériences précédents et des progrès futurs de la technologie laser pour augmenter progressivement l'intensité lumineuse amplifiée jusqu'à la limite de Schwinger», ont ajouté Vincenti et Zaim. «Cela nous permettra d'obtenir des interactions dominées par SF-QED de plus en plus spectaculaires. Nous sommes donc convaincus que des temps passionnants nous attendent.

Informations sur la revue : Nature Physics , Physical Review Letters , arXiv

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