Des physiciens ont trouvé un moyen de fabriquer de l'antimatière à partir de la lumière

Une équipe de chercheurs a imaginé une nouvelle méthode relativement simple pour obtenir de l’antimatière, en recréant les conditions régnant à proximité des étoiles à neutrons à l’aide de lasers.

Une forme miroir de la matière

L’antimatière se révèle similaire à la matière ordinaire, à la différence près que ses particules possèdent une charge opposée. Évidemment, une telle particularité a des implications majeures : si la matière et l’antimatière se rencontraient, elles s’annihileraient mutuellement dans une explosion d’énergie. Alors que nos meilleurs modèles estiment que celles-ci auraient dû être créées en quantités égales lors du Big Bang, la matière semble aujourd’hui dominer le cosmos, et les chercheurs tentent de déterminer les raisons d’un tel scénario.

Malheureusement, la rareté et l’instabilité de l’antimatière la rendent difficile à étudier. Celle-ci étant produite naturellement dans des conditions extrêmes, comme la foudre, ou à proximité de trous noirs et d’étoiles à neutrons, et artificiellement dans d’énormes installations, telles que le grand collisionneur de hadrons.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Communications Physics, des chercheurs ont élaboré une nouvelle méthode qui pourrait permettre de produire de l’antimatière dans des laboratoires plus modestes, impliquant la projection de deux faisceaux lasers opposés sur un bloc de plastique pourvu de minuscules canaux de quelques micromètres de large. Bien que le dispositif n’ait pas encore été construit, des simulations ont montré que le concept était réalisable.

Des images simulées montrent comment la densité du plasma (en noir et blanc) change lorsqu’il est frappé par de puissants faisceaux lasers. Les couleurs représentent les différentes énergies du rayonnement gamma produit lors de la collision — © Toma Toncian

En frappant leur cible, les lasers accélèrent et projettent des nuages d’électrons condamnés à entrer en collision. En raison de l’étroitesse des canaux, cette rencontre produit beaucoup de rayons gamma et favorise la collision des photons, générant des pluies de matière et d’antimatière (principalement des électrons et des positrons). Enfin, les champs magnétiques entourant le système concentrent les positrons en un faisceau d’antimatière, qu’ils accélèrent à un niveau d’énergie extrêmement élevé.

D’importantes implications

« De tels phénomènes sont susceptibles de se produire, entre autres, dans la magnétosphère des pulsars, c’est-à-dire des étoiles à neutrons en rotation rapide », explique Alexey Arefiev, co-auteur de l’étude. « Avec notre nouveau concept, ils pourraient être simulés en laboratoire, du moins dans une certaine mesure, ce qui nous permettrait de mieux les comprendre. »

L’équipe souligne l’efficience de la nouvelle approche, permettant de produire jusqu’à 100 000 fois plus de positrons que ne le ferait un dispositif mono-faisceau, avec des lasers d’entrée « relativement » peu puissants. Les simulations ont montré que le faisceau d’antimatière en résultant pouvait atteindre des énergies de 1 gigaelectronvolt (GeV) dans un espace de seulement 50 micromètres, nécessitant normalement l’utilisation d’accélérateurs de particules massifs.

S’il s’agit de travaux conceptuels, les auteurs de l’étude affirment que la technologie nécessaire pour créer un tel dispositif est déjà utilisée par certaines installations existantes. Celui-ci pourrait notamment offrir aux chercheurs un meilleur aperçu des conditions extrêmes régnant à proximité des trous noirs et des étoiles à neutrons, et les aider à résoudre l’énigme cosmologique de l’antimatière.

Par Yann Contegat, le 31 juillet 2021