De intensiteit van de laser zorgt ervoor dat materie uit de leegte springt door Michel Alberganti
Sleutelwoorden: energie, vacuüm, materie, creatie, deeltjes, antimaterie
De biografie van de vergelijking E = mc 2 is verre van compleet. De opmerkelijke illustratie van de fictieve documentaire die op zondag 16 oktober door Arte werd uitgezonden (Een biografie van de E = mc2-vergelijking, door Gary Johnstone) zou binnenkort een nieuw spannend hoofdstuk kunnen beleven. In het Applied Optics Laboratory (LOA), gemeenschappelijk voor de Nationale School voor Geavanceerde Technieken (Ensta), de Polytechnische School en het CNRS, Palaiseau (Essonne), komt Gérard Mourou dichter bij het moment waarop hij materie vanuit een vacuüm ...
'Leegte is de moeder van alle materie', zegt hij met een zekere jubel. In perfecte staat “bevat het een gigantische hoeveelheid deeltjes per cm3… en evenveel antideeltjes”. Van waar een nulsom die leidt tot deze schijnbare afwezigheid van materie die we noemen ... het vacuüm. Wat een uitdaging voor de definitie van het woordenboek waarvoor, sinds de veertiende eeuw, het laatste een "ruimte is die niet wordt ingenomen door materie". Dit was tellen zonder antimaterie en zonder de beroemde formule E = mc², die Albert Einstein honderd jaar geleden, in 1905, uit de speciale relativiteitstheorie afleidde.
Waarom deze formule omkeren door materie uit een vacuüm te produceren? Voor Gérard Mourou zullen de toepassingen variëren van het creëren van nieuwe relativistische micro-elektronica tot de studie van de oerknal en de mogelijkheid om zwarte gaten te simuleren. Wat hij 'extreem licht' noemt, maakt de ontwikkeling mogelijk van protonentherapie, die tumoren kan aanvallen zonder omliggende cellen te beschadigen, 'nucleaire farmacologie' en de mogelijkheid om de radioactiviteit van een materiaal met een simpele knop te beheersen. Om nog maar te zwijgen van de fabricage van uiterst compacte versnellers die kunnen concurreren met de gigantische faciliteiten op CERN in Genève. De beheersing van het licht heeft dus nog lang niet zijn grenzen bereikt. De LOA werkt met de laser, een van de meest spectaculaire resultaten van de ontdekkingen waarmee Albert Einstein in 1921 de Nobelprijs won.
Gérard Mourou speelde een belangrijke rol bij het vergroten van de kracht van deze coherente lichtstraal, die voor het eerst werd verkregen in 1960. In 1985 ontwikkelde hij een methode genaamd chirped pulse amplification (CPA) (Le Monde du 8 Juni 1990). “Van de ene op de andere dag maakten we een bron die op een tafel stond en waarvan de intensiteit gelijk was aan die van installaties ter grootte van een voetbalveld”, legt Gérard Mourou uit.
Surf golf
Twintig jaar lang waren natuurkundigen gestuit op het verschijnen van niet-lineaire verschijnselen bij intensiteiten van ongeveer 1014 W / cm2 (W / cm2) die de golf degradeerden en de vernietiging veroorzaakten van de vaste stoffen waarin de lasers werden geboren. Gérard Mourou gebruikte bronnen die zeer korte pulsen produceerden (picoseconde, dwz 10-12 seconden), waarvan een van de kenmerken was om een breed scala aan frequenties te bevatten. "Om het probleem op te lossen, hebben we die eerst uitgerekt door de fotonen te ordenen, voordat we de puls versterkten", zegt de onderzoeker die, om de CPA uit te leggen, de analogie gebruikt van een peloton fietsers die voor een tunnel staan. Om een blokkering tijdens een frontale doorgang te voorkomen, is het nodig om enkele lopers voor de hindernis af te remmen.
Gérard Mourou doet hetzelfde met frequenties. Nadat hij ze gescheiden heeft, legt hij aan elke kleur verschillende paden op met behulp van een diffractierooster. Na de versterking van elke frequentie is het "voldoende" om de omgekeerde handeling uit te voeren om een puls te vinden met hetzelfde profiel maar veel intenser. Met de CPA begon de intensiteit weer te stijgen en bereikte ... 1022 W / cm2 vandaag, 1024 W / cm2 in 2006.
“Tot een bepaalde waarde van de intensiteit blijft de magnetische component van de invallende golf verwaarloosbaar in vergelijking met zijn elektrische component”, legt Gérard Mourou uit. Maar vanaf 1018 W / cm2 oefent het druk uit op het elektron. De laatstgenoemde, tot dan toe onderworpen aan een simpele "deining", wordt plotseling meegesleept door een brekende golf die hem meevoert tot hij zijn eigen snelheid bereikt, dat wil zeggen die van het licht. We gaan dan het relativistische niet-lineaire perspectief binnen. De gescheurde elektronen zetten hun atomen om in ionen die "proberen de elektronen vast te houden, wat een continu elektrisch veld creëert, dat wil zeggen elektrostatisch, van aanzienlijke intensiteit". Het wisselende elektrische veld van de invallende lichtgolf wordt aldus omgezet in een direct elektrisch veld.
Dit "buitengewone" fenomeen genereert een titanenveld van 2 teravolt per meter (1012 V / m). “CERN op een meter…”, vat Gérard Mourou samen. Bij 1023 W / cm2 bereikt het elektrostatische veld 0,6 petavolt per meter (1015 V / m) ...
Ter vergelijking: het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) versnelt deeltjes tot 50 giga-elektronvolt (GeV) over een afstand van 3 km. "In theorie zouden we hetzelfde kunnen doen over een afstand in de orde van de diameter van een haar", verzekert de onderzoeker. Enrico Fermi (1901-1954) schatte in zijn tijd dat, om de petavolt te bereiken, de versneller rond de aarde zou moeten gaan.
"De elektronen die door het licht worden geduwd, trekken de ionen achter zich aan", vervolgt dhr. Mourou. Vanaf nu trekt de boot aan zijn anker. Het aanvankelijke licht genereerde een bundel elektronen en ionen. De LOA is erin geslaagd elektronen te versnellen tot energieën van 150 mega-elektronvolt (MeV) over afstanden van enkele tientallen microns. Hij is van plan om eerst naar GeV te pushen, en "veel verder dan".
Mini Big Bang
Tegelijk met deze ontwikkeling die op lange termijn zou kunnen concurreren met grote deeltjesversnellers, zegt Gérard Mourou dat hij, opnieuw dankzij de enorme lichtintensiteiten, heel dichtbij is om "de leegte te kraken", dat wil zeggen om te onthullen " iets ”waar blijkbaar niets was.
In werkelijkheid gaat het niet om een magische operatie, maar om "eenvoudig" te onthullen wat onzichtbaar was. Het theoretische doel is een intensiteit van 1030 W / cm2. Om deze waarde te verkrijgen, beschouwen natuurkundigen vacuüm als een diëlektricum, dat wil zeggen een isolator. Op dezelfde manier dat een te sterke stroom een condensator doet "breken", is het mogelijk om "het vacuüm te kraken".
Maar wat gebeurt er dan? Welke vreemde deeltjes zullen uit de leegte springen? Ook hier wordt het mysterie gewist. Het zal een elektron-positron-paar zijn. Een deeltje en zijn antideeltje, die het lichtst zijn en daarom die welke, volgens de formule van Einstein, de minste energie nodig hebben om te verschijnen. En dit minimum is ook bekend: 1,022 MeV.
Alles lijkt dus klaar om materie voor het eerst te laten verschijnen vanuit een vacuüm in een laboratorium. Deze mini-oerknal kan zelfs plaatsvinden vóór 1030 W / cm2. De heer Mourou denkt dat het door gebruik van röntgen- of gammastraling mogelijk is om deze drempel te verlagen tot ongeveer 1023 tot 1024 W / cm2. Dit is precies de doelstelling van de LOA voor de komende jaren.
Artikel gepubliceerd in de editie van 19.10.05 van Le Monde