Het materiaal van de vacuum


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De laser intensiteit zal ontspringen uit vacuum Michel Alberganti

Trefwoorden: energie, leeg, materiële schepping, deeltjes antimaterie

De biografie van de vergelijking E = mc 2 is verre van compleet. Laremarquable illustratie gegeven in de documentaire fictie uitgezonden door Arte op zondag, kon oktober 16 (Een biografie van de formule E = mc2, Gary Johnstone) al snel ervaren een spannend nieuw hoofdstuk. In Applied Optics Laboratory (LOA), gemeenschappelijk voor de Nationale School of Advanced Technologies (Ensta) aan de Ecole Polytechnique en CNRS, Palaiseau (Essonne), Gérard Mourou nadert toen hij voort zal brengen van de materie vanuit de leegte ...

« Le vide est mère de toute matière » , lance-t-il avec une certaine jubilation. A l’état parfait, « il contient une quantité gigantesque de particules par cm3…et tout autant d’antiparticules » . D’où une somme nulle qui conduit à cette apparente absence de matière que nous nommons… le vide. De quoi contester la définition du dictionnaire pour lequel, depuis le XIVe siècle, ce dernier est un « espace qui n’est pas occupé par de la matière » . C’était compter sans l’antimatière et sans la célèbre formule E = mc², qu’Albert Einstein a déduit de la relativité restreinte il y a cent ans, en 1905.

Pourquoi inverser cette formule en produisant de la matière à partir du vide ? Pour Gérard Mourou, les applications iront de la création d’une nouvelle microélectronique relativiste à l’étude du Big Bang et à la possibilité de simuler des trous noirs. Ce qu’il nomme la « lumière extrême » permet de développer la protonthérapie, capable d’attaquer des tumeurs sans détériorer les cellules environnantes, une « pharmacologie nucléaire » et la possibilité de contrôler la radioactivité d’un matériau avec un simple bouton. Sans parler de la fabrication d’accélérateurs extrêmement compacts pouvant concurrencer les gigantesques installations du CERN de Genève. La maîtrise de la lumière est donc loin d’avoir atteint ses limites. Le LOA travaille avec le laser, l’un des aboutissements les plus spectaculaires des découvertes qui ont valu à Albert d’Einstein le prix Nobel en 1921.

Gérard Mourou a joué un rôle majeur dans l’augmentation de la puissance de ce rayon de lumière cohérente obtenu pour la première fois en 1960. En 1985, il a mis au point une méthode baptisée chirped pulse amplification (CPA) (Le Monde du 8 juin 1990). « Du jour au lendemain, nous avons fabriqué une source qui tenait sur une table et dont l’intensité égalait celle d’installations de la taille d’un terrain de football » , explique Gérard Mourou.

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Les physiciens butaient depuis une vingtaine d’années sur l’apparition de phénomènes non linéaires aux intensités d’environ 1014 W/cm2 (W/cm2) qui dégradaient l’onde et provoquaient la destruction des solides dans lesquels naissaient les lasers. Gérard Mourou utilisait des sources produisant des impulsions très courtes (picoseconde, soit 10- ­ 12 seconde), dont l’une des caractéristiques était de contenir une large gamme de fréquences. « Pour résoudre le problème, avant d’amplifier l’impulsion, nous l’avons étirée en ordonnant les photons » , indique le chercheur qui, pour expliquer la CPA, utilise l’analogie d’un peloton de cyclistes face à un tunnel. Pour éviter un blocage lors d’un passage de front, il faut ralentir certains coureurs avant l’obstacle.

Gérard Mourou procède de même avec les fréquences. Après les avoir séparées, il impose des parcours différents à chaque couleur à l’aide d’un réseau de diffraction. Après l’amplication de chaque fréquence, il « suffit » de réaliser l’opération inverse afin de retrouver une impulsion au profil identique mais beaucoup plus intense. Avec la CPA, l’intensité s’est remise à grimper pour atteindre… 1022 W/cm2 aujourd’hui, 1024 W/cm2 en 2006.



« Jusqu’à une certaine valeur de l’intensité, la composante magnétique de l’onde incidente reste négligeable par rapport à sa composante électrique, explique Gérard Mourou. Mais à partir de 1018 W/cm2, elle exerce une pression sur l’électron. » Ce dernier, jusque-là soumis à une simple « houle », se trouve soudain emporté par une vague déferlante qui l’entraîne jusqu’à lui faire atteindre sa propre vitesse, c’est-à-dire celle de la lumière. On entre alors dans l’optique non linéaire relativiste. Les électrons arrachés transforment leurs atomes en ions qui « tentent de retenir les électrons, ce qui crée un champ électrique continu, c’est-à-dire électrostatique, d’une intensité considérable » . On transforme ainsi le champ électrique alternatif de l’onde lumineuse incidente en champ électrique continu.

Ce phénomène « extraordinaire » engendre un champ titanesque de 2 teravolts par mètre (1012 V/m). « Le CERN sur un mètre… » , résume Gérard Mourou. A 1023 W/cm2, le champ électrostatique atteindra 0,6 petavolt par mètre (1015 V/m)…
A titre de comparaison, le Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) accélère les particules jusqu’à 50 giga-électronvolts (GeV) sur 3 km. « En théorie, nous pourrons faire de même sur une distance de l’ordre du diamètre d’un cheveu » , assure le chercheur. En son temps, Enrico Fermi (1901-1954) estimait que, pour atteindre le petavolt, l’accélérateur devrait faire le tour de la Terre.

« Les électrons poussés par la lumière finissent par tirer les ions derrière eux », poursuit M. Mourou. Désormais, la barque entraîne son ancre. La lumière initiale a engendré un faisceau d’électrons et d’ions. Le LOA est parvenu à accélérer des électrons jusqu’à des énergies de 150 méga-électronvolts (MeV) sur des distances de quelques dizaines de microns. Il compte d’abord pousser jusqu’au GeV, et « beaucoup plus loin ensuite » .

Mini Big Bang

Parallèlement à ce développement qui pourrait, à terme, concurrencer les grands accélérateurs de particules, Gérard Mourou se dit très proche, toujours grâce aux énormes intensités lumineuses obtenues, de « claquer le vide » , c’est-à-dire de faire apparaître « quelque chose » là où il n’y avait rien en apparence.

En réalité, il ne s’agit pas d’une opération magique mais, « simplement » , de faire apparaître ce qui était invisible. L’objectif théorique est une intensité de 1030 W/cm2. Pour obtenir cette valeur, les physiciens considèrent le vide comme un diélectrique, c’est-à-dire un isolant. De la même façon qu’une intensité trop forte fait « claquer » un condensateur, il est possible de « claquer le vide » .

Maar wat zal er dan gebeuren? Wat vreemde deeltjes zullen vloeien ze stofzuigen? Nogmaals, het mysterie is muf. Er zal een paar elektron-positron zijn. Een deeltje en zijn antideeltje, die lichter en dus degenen die, in de woorden van Einstein, zullen beweren de minst energie te produceren zijn. En dat minimum is ook bekend: 1,022 MeV.

Aldus lijkt alles klaar voor deze kwestie maakt zijn eerste verschijning van het vacuüm in een laboratorium. Deze mini-Big Bang kan zelfs gebeuren voordat de 1030 W / cm2. Mr. Mourou dat met X-stralen of gammastralen, is het mogelijk om de drempel te verlagen tot ongeveer 1023 1024 W / cm2. Maar het is juist het doel van de LOA voor de komende jaren

Artikel in 19.10.05 editie van de World


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