E = mc2 Peut être l’équation la plus quotidienne de la physique. Tout le monde en a entendu parler et cela a été prouvé maintes et maintes fois. Avez-vous converti la masse en énergie ? Allez le dire aux étoiles, dont la lumière est générée à partir de la masse perdue lors de la fusion nucléaire.
Mais il y a une autre façon d’imaginer cette équation fondamentale.
“Vous pouvez réellement regarder ce processus des deux côtés”, explique Daniel Brandenburg, physicien au Laboratoire national de Brookhaven. Inverse.
“Dans notre cas, nous voulions prendre la lumière et la convertir en matière.”
Il s’avère que c’est beaucoup moins banal.
À son 143e anniversaire, Inverse célèbre le physicien le plus emblématique du monde – et interroge le mythe de son génie. Bienvenue à Semaine Einstein.
Brandenburg est membre de la collaboration STAR, un groupe de plus de 700 scientifiques de 15 pays qui utilisent le collisionneur d’ions lourds relativistes de BNL, ou RHIC (prononcé “Rick”), pour écraser des noyaux d’or à 99,995 % de la vitesse de la lumière. .
Pour cette expérience, les chercheurs se sont davantage intéressés aux quasi-accidents qu’aux réussites. Des photons à très haute énergie encerclent les noyaux d’or comme une aura, et les auras entrent en collision lorsque les noyaux se croisent. Lorsque les photons (particules de lumière ; sans masse, énergie pure) entrent en collision, ils génèrent un électron et un positron, son homologue antimatière – deux particules qui ont une masse. C’est ce qu’on appelle le processus Breit-Wheeler.
“La partie qui rend le processus Breit-Wheeler si difficile à réaliser est d’obtenir des photons qui ont suffisamment d’énergie”, explique Brandenburg. “Nous avons franchi ce seuil où nous pouvons convertir les photons en une véritable paire électron-positon. Et c’est là que nous pouvons vraiment réaliser ce dont parlait Einstein, où nous prenons l’énergie des photons.”
La connexion Einstein
E = mc2 est une excroissance de la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein, qui dit que la vitesse d’un objet affecte la façon dont il perçoit l’espace et le temps relatif à d’autres objets. (Sa théorie de la relativité générale ajoute la gravité dans le mélange.) Environ deux décennies après l’article fondateur d’Einstein en 1905 sur le sujet, deux physiciens théoriciens, Gregory Breit et John Wheeler ont pris son équation alors célèbre et acceptée et en ont déduit les exigences pour transformer la lumière en matière. .
“Tout le monde croyait que ce processus existait”, déclare Zhangbu Xu, physicien du BNL et ancien chef de groupe et porte-parole de la collaboration STAR.
“Mais personne n’a jamais été capable de le démontrer.”
Xu raconte Inverse que si Einstein était vivant aujourd’hui, “à ce stade, il dirait probablement:” Hé, à quoi d’autre t’attends-tu? “”
Rafael Alves Batista est d’accord. Alves Batista est chercheur à l’Institut de physique théorique de l’Université autonome de Madrid qui étudie l’astrophysique des photons de haute énergie et n’a pas participé à l’étude.
“Le fait que nous ne voyons pas les rayons gamma à plus d’une distance donnée nous indique déjà qu’il existe le processus de Breit-Wheeler”, a déclaré Alves Batista. Inverse. En effet, la lumière à haute énergie provenant de très loin dans l’univers est interceptée par des collisions avec d’autres photons, ce qui la rend invisible aux détecteurs ici sur Terre.
“Cependant, ce qu’ils font doit être fait”, a-t-il dit, “car il pourrait y avoir un écart par rapport à une prédiction.”
Brandenburg dit que la prédiction et l’expérience “se chevauchent si parfaitement que vous pouvez à peine voir la courbe à partir des données”. Cela renforce encore la compréhension actuelle du fonctionnement de l’univers à grande et à petite échelle.
Rendre possible la nouvelle physique
“Nous sommes vraiment à ce seuil où c’est enfin possible, et, même pour nous, c’est à peine possible à ce stade”, déclare Brandenburg, évoquant le fait que cette expérience a nécessité près de 90 ans d’avancées technologiques.
Une découverte majeure a été que les chercheurs ont observé que la lumière polarisée est divisée en différents chemins par les champs magnétiques très puissants entourant les noyaux d’or.
“Il ne s’agit pas seulement de prouver le processus Breit-Wheeler”, explique Xu, “mais le fait que nous pouvons démontrer que ces photons sont polarisés et comment nous pouvons réellement mesurer cette polarisation elle-même.”
Cela a permis d’utiliser la lumière polarisée pour étudier le champ magnétique autour des noyaux hautement chargés et de mieux comprendre la physique des noyaux atomiques.
“L’aspect du noyau aux hautes énergies reste encore largement sans réponse”, explique Brandenberg. “Et avec cette découverte, nous avons développé une technique entièrement nouvelle.”
Cette technique sera essentielle pour le collisionneur d’ions lourds de nouvelle génération, le collisionneur électron-ion de BNL. La collaboration STAR participe à la conception de l’EIC, qui devrait être mis en ligne vers 2030.
Selon Brandenberg, “je pense que les choses qui se produiront dans les 10 à 20 prochaines années commenceront probablement à pousser davantage notre compréhension parce que nous entrons dans ce régime où la théorie n’est pas aussi bien comprise.”
À son 143e anniversaire, Inverse célèbre le physicien le plus emblématique du monde – et interroge le mythe de son génie. Bienvenue à Semaine Einstein.