Gyles Lewis
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Au cas où vous ne l'auriez pas réalisé, les photons sont de minuscules petits morceaux de lumière. En fait, c'est le plus petit peu de lumière possible. Lorsque vous allumez une lampe, des nombres gigantesques de photons jaillissent de cette ampoule et claquent dans vos yeux, où ils sont absorbés par votre rétine et transformés en un signal électrique afin que vous puissiez voir ce que vous faites..
Ainsi, vous pouvez imaginer combien de photons vous entourent à un moment donné. Pas seulement des lumières de votre pièce, mais aussi des photons qui pénètrent par la fenêtre du soleil. Même votre propre corps génère des photons, mais tout le long des énergies infrarouges, vous avez donc besoin de lunettes de vision nocturne pour les voir. Mais ils sont toujours là.
Et, bien sûr, toutes les ondes radio et les rayons ultraviolets et tous les autres rayons vous bombardent constamment et tout le reste avec un flux sans fin de photons.
C'est des photons partout.
Ces petits paquets de lumière ne sont pas censés interagir les uns avec les autres, n'ayant essentiellement aucune "conscience" que les autres existent même. Les lois de la physique sont telles qu'un photon passe juste par un autre avec une interaction nulle. [Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique]
C'est du moins ce que pensaient les physiciens. Mais dans une nouvelle expérience à l'intérieur du plus puissant briseur d'atomes au monde, les chercheurs ont eu un aperçu de l'impossible: des photons se cognant les uns aux autres. Le piège? Ces photons étaient un peu en dehors de leur jeu, ce qui signifie qu'ils n'agissaient pas comme eux-mêmes et étaient plutôt temporairement devenus «virtuels». En étudiant ces interactions extrêmement rares, les physiciens espèrent révéler certaines des propriétés fondamentales de la lumière et peut-être même découvrir de nouvelles physiques des hautes énergies, comme les grandes théories unifiées et (peut-être) la supersymétrie..
Une touche légère
Habituellement, c'est une bonne chose que les photons n'interagissent pas les uns avec les autres ou ne rebondissent pas les uns sur les autres, car ce serait une folie totale avec des photons ne allant jamais nulle part dans aucune sorte de ligne droite. Donc, heureusement, deux photons se glisseront simplement l'un par l'autre comme si l'autre n'existait même pas.
Autrement dit, la plupart du temps.
Dans les expériences à haute énergie, nous pouvons (avec beaucoup d'huile de coude) obtenir deux photons qui se frappent, bien que cela se produise très rarement. Les physiciens s'intéressent à ce type de processus car il révèle des propriétés très profondes de la nature même de la lumière et pourrait aider à découvrir une physique inattendue. [18 fois que les particules quantiques ont fait exploser nos esprits]
Les photons interagissent si rarement les uns avec les autres car ils se connectent uniquement avec des particules qui ont des charges électriques. C'est juste une de ces règles de l'univers que nous devons respecter. Mais si c'est la règle de l'univers, alors comment pourrions-nous jamais obtenir deux photons, qui n'ont pas de charge, pour se connecter l'un à l'autre?
Quand un photon n'est pas
La réponse réside dans l'un des aspects les plus impénétrables et pourtant délicieux de la physique moderne, et cela porte le nom génial d'électrodynamique quantique..
Dans cette image du monde subatomique, le photon n'est pas nécessairement un photon. Au moins, ce n'est pas toujours un photon. Les particules comme les électrons et les photons et tous les autres -ons tournent continuellement d'avant en arrière, changeant d'identité à mesure qu'ils voyagent. Cela semble déroutant au début: comment un faisceau de lumière pourrait-il être autre chose qu'un faisceau de lumière??
Afin de comprendre ce comportement farfelu, nous devons élargir un peu notre conscience (pour emprunter une expression).
Dans le cas des photons, lorsqu'ils voyagent, de temps en temps (et gardez à l'esprit que c'est extrêmement, extrêmement rare), on peut changer d'avis. Et au lieu d'être juste un photon, il peut devenir une paire de particules, un électron chargé négativement et un positron chargé positivement (le partenaire antimatière de l'électron), qui voyagent ensemble.
Clignez des yeux et vous le manquerez, parce que le positron et l'électron se trouveront, et, comme cela arrive quand la matière et l'antimatière se rencontrent, ils s'annihilent, pouf. La paire impaire redeviendra un photon.
Pour diverses raisons qui sont bien trop compliquées à aborder maintenant, lorsque cela se produit, ces paires sont appelées particules virtuelles. Qu'il suffise de dire que dans presque tous les cas, vous n'interagissez jamais avec les particules virtuelles (dans ce cas, le positron et l'électron), et vous n'arrivez jamais à parler qu'au photon.
Mais pas dans tous les cas.
Une lumière dans le noir
Dans une série d'expériences menées par la collaboration ATLAS au Grand collisionneur de hadrons sous la frontière franco-suisse et récemment soumises au journal de pré-impression en ligne arXiv, l'équipe a passé beaucoup trop de temps à claquer des noyaux de plomb les uns dans les autres à presque la vitesse de la lumière. . Cependant, ils n'ont pas réellement laissé les particules de plomb se heurter; au lieu de cela, les bits sont juste venus très, très, très, très proches. [Photos: Le plus grand destructeur d'atomes du monde (LHC)]
De cette façon, au lieu d'avoir à faire face à un gigantesque désordre d'une collision, y compris beaucoup de particules, de forces et d'énergies supplémentaires, les atomes de plomb ont simplement interagi via la force électromagnétique. En d'autres termes, ils ont juste échangé beaucoup de photons.
Et de temps en temps - extrêmement, incroyablement rarement - un de ces photons se transformait brièvement en une paire composée d'un positron et d'un électron; puis, un autre photon verrait l'un de ces positrons ou électrons et lui parlerait. Une interaction se produirait.
Maintenant, dans cette interaction, le photon se heurte en quelque sorte à l'électron ou au positron et part sur son joyeux chemin sans aucun dommage. Finalement, ce positron ou cet électron trouve son partenaire et redevient un photon, de sorte que le résultat de deux photons qui se heurtent n'est que deux photons qui rebondissent l'un sur l'autre. Mais qu'ils aient pu se parler du tout est remarquable.
Comment remarquable? Eh bien, après des milliers de milliards et des milliers de milliards de collisions, l'équipe a détecté un total de 59 intersections potentielles. Seulement 59.
Mais que nous disent ces 59 interactions sur l'univers? D'une part, ils valident cette image qu'un photon n'est pas toujours un photon.
Et en creusant dans la nature très quantique de ces particules, nous pourrions apprendre une nouvelle physique. Par exemple, dans certains modèles sophistiqués qui repoussent les limites de la physique des particules connue, ces interactions photoniques se produisent à des vitesses légèrement différentes, ce qui nous donne potentiellement un moyen d'explorer et de tester ces modèles. À l'heure actuelle, nous n'avons pas suffisamment de données pour faire la différence entre ces modèles. Mais maintenant que la technique est établie, nous pourrions juste faire des progrès.
Et vous allez devoir excuser le jeu de mots de clôture très évident ici, mais j'espère que bientôt, nous pourrons faire la lumière sur la situation.
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Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un Spaceman" et "Radio spatiale,"et auteur de"Votre place dans l'univers."
Publié à l'origine le .