On a reproduit la création de la matière par la lumière du Big Bang

Il y a 80 ans, le physicien d’origine russe Gregory Breit et son collègue états-unien John Wheeler prédisaient que de la matière pouvait être créée à partir de collisions dans un gaz de photons pur. Les physiciens ont vérifié directement en laboratoire ce phénomène, qui a dû intervenir pendant les premières secondes de l’existence de l’univers observable.

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Il y a presque 115 ans, Einstein publiait un très court article dans lequel il établissait que selon sa théorie de la relativité restreinte, la lumière pouvait transmettre l’inertie de la matière, ce qui en terme moderne implique qu’une énergie est équivalente à une masse. Son raisonnement aboutissait donc à la célèbre formule E=mc2. On peut trouver cet article, et bien d’autres concernant l’essor aussi bien de la théorie de la relativité restreinte que de celle de la relativité générale, dans un célèbre ouvrage publié par Dover : The Principle Of Relativity.

On pouvait donc penser que l’on pouvait créer de la lumière à partir de la masse et inversement.

Dans le premier cas, des physiciens comme Arthur Eddington et Jean Perrin ont rapidement soupçonné que c’était là la clé de l’énergie du Soleil. Ainsi, dès 1919 puis en 1921, dans un premier article intitulé Matière et Lumière, Perrin précise cette idée en proposant que le Soleil et les autres étoiles brillaient en faisant fusionner des atomes d’hydrogène. Eddington aboutit presque au même moment aux mêmes conclusions, conforté dans ses idées par les expériences de spectrométrie de masse de son compatriote britannique, le prix Nobel de chimie Francis Aston.

Les développements de la théorie quantique des champs à la fin des années 1920 et au début des années 1930 vont permettre de montrer que le second processus, la création de la matière à partir de la lumière, est aussi valable. Une version spectaculaire de ce processus est prédite en 1934 par Gregory Breit et John Wheeler, la production de paires électron-positron par collision de photons et, comme Futura l’expliquait dans le précédent article ci-dessous, ce processus a dû se produire pendant le Big Bang.

Des collisions d’ions lourds pour reproduire le Big Bang
Aujourd’hui, des membres du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis, travaillant avec le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) et son détecteur Star (pour Solenoidal Tracker au RHIC) ont publié un article disponible en accès libre sur arXiv dans lequel ils annoncent qu’ils ont vérifié concrètement les prédictions de Breit et Wheeler en utilisant une stratégie qu’ils avaient d’ailleurs esquissée.

À l’origine, l’objectif scientifique principal de Star était d’étudier la formation et les caractéristiques du plasma quark-gluon (QGP), aussi appelé quagma, et qui a dû se former pendant le Big Bang et être à l’origine des protons et des neutrons de l’Univers qui seraient en quelque sorte des gouttes de liquide refroidi provenant de ce plasma.

Pour les produire les physiciens accélèrent des ions lourds et en particulier des ions d’or presque à la vitesse de la lumière pour les faire entrer en collision. Parmi les divers processus générant de la lumière et d’autres particules dans ces collisions, les physiciens se sont rendu compte qu’il y avait un signal exploitable dans les collisions d’ions d’or allant à 99,995 % de la vitesse de la lumière, signal démontrant que le processus de Breit et Wheeler était réel.

En effet, ces ions une fois accélérés s’entourent chacun d’une sorte de nuage de photons, et quand ces ions passent suffisamment proche l’un de l’autre il se produit des collisions entre les paires de photons selon exactement les calculs des deux physiciens.

Ce signal a effectivement été observé dans Star.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-on-reproduit-creation-matiere-lumiere-big-bang-53755/

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