L’expérience laser qui pourrait révéler de nouvelles lois de la physique

Le vide, pour la plupart d’entre nous, est synonyme de néant absolu. En réalité, il est rempli d’un scintillement énergétique : les fluctuations quantiques. Une équipe de recherche allemande prépare actuellement une expérience laser destinée à vérifier ces fluctuations de manière inédite, qui pourrait potentiellement fournir des indices sur de nouvelles lois en physique.

Le vide n’est pas vide

Le monde de la physique sait depuis longtemps que le vide n’est pas entièrement vide, mais est rempli de fluctuations du vide – un scintillement quantique inquiétant dans le temps et l’espace. Bien qu’il ne puisse pas être capturé directement, son influence peut être observée indirectement, par exemple, à travers des changements dans les champs électro-magnétiques de minuscules particules.

Il n’a pas encore été possible toutefois de vérifier les fluctuations du vide sans la présence de particules. Si cela pouvait être accompli, l’une des théories fondamentales de la physique, à savoir l’électrodynamique quantique (QED), serait prouvée dans un domaine jusqu’alors non testé.

Une expérience laser pour vérifier les fluctuations du vide

L’expérience destinée à accomplir cela est prévue dans le cadre de la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), un consortium de recherche dirigé par le HZDR à la station expérimentale HED – High Energy Density du European XFEL à Hambourg, le plus grand laser à rayons X du monde.

Le principe sous-jacent est qu’un laser ultra-puissant tire de courtes et intenses flashes de lumière dans une chambre en acier inoxydable évacuée. L’objectif est de manipuler les fluctuations du vide de manière à ce qu’elles changent, comme par magie, la polarisation d’un flash de rayons X du European XFEL, c’est-à-dire qu’elles fassent tourner sa direction d’oscillation.

Deux flashes au lieu d’un seul

Le concept original impliquait de tirer un seul flash laser optique dans la chambre et d’utiliser des techniques de mesure spécialisées pour enregistrer s’il change la polarisation du flash de rayons X.

Mais il y a un problème : « Le signal est susceptible d’être extrêmement faible », explique le théoricien du HZDR, le professeur Ralf Schützhold. « Il est possible qu’un seul photon sur un billion change sa polarisation. »

Mais cela pourrait être en dessous de la limite de mesure actuelle – l’événement pourrait simplement passer inaperçu. Par conséquent, Ralf Schützhold et son équipe comptent sur une variante : au lieu d’un seul, ils ont l’intention de tirer deux impulsions laser optiques simultanément dans la chambre évacuée.

Des particules fantômes ultra-légères en ligne de mire ?

Les perspectives pourraient être encore améliorées si les deux flashes laser tirés dans la chambre n’étaient pas de la même couleur, mais de deux longueurs d’onde différentes. Cela permettrait également de changer légèrement l’énergie du flash de rayons X, ce qui aiderait également à mesurer l’effet. « Mais c’est techniquement assez difficile et ne pourra peut-être être mis en œuvre qu’à une date ultérieure », dit encore Ralf Schützhold.

Le projet est actuellement en phase de planification à Hambourg avec l’équipe du European XFEL à la station expérimentale HED, et les premiers essais sont prévus pour 2024. S’ils réussissent, ils pourraient confirmer une fois de plus la QED.

Mais peut-être que les expériences révéleront des écarts par rapport à la théorie établie. Cela pourrait être dû à des particules jusqu’alors inconnues – par exemple, des particules fantômes ultra-légères connues sous le nom d’axions. « Et cela », conclut Ralf Schützhold, « serait une indication claire de lois de la nature jusqu’alors inconnues. »

En synthèse

Cette expérience laser innovante, menée par l’équipe de recherche du HZDR, pourrait non seulement confirmer la théorie de l’électrodynamique quantique dans un domaine jusqu’alors non testé, mais aussi potentiellement révéler l’existence de nouvelles particules et, par conséquent, de nouvelles lois de la nature.

Alors que le projet est actuellement en phase de planification, le monde scientifique attend avec impatience les résultats de ces essais prévus pour 2024.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les fluctuations quantiques ?

Les fluctuations quantiques sont un scintillement énergétique qui remplit le vide. Elles sont une manifestation de l’incertitude inhérente à la mécanique quantique.

Qu’est-ce que l’électrodynamique quantique (QED) ?

L’électrodynamique quantique (QED) est une théorie fondamentale de la physique qui décrit comment la lumière et la matière interagissent.

Qu’est-ce que le HZDR ?

Le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) est un institut de recherche allemand qui mène des travaux de pointe dans les domaines de la santé, de l’énergie et de la matière.

Qu’est-ce que le European XFEL ?

Le European XFEL est le plus grand laser à rayons X du monde, situé à Hambourg, en Allemagne. Il est utilisé pour des expériences de recherche dans divers domaines de la science.

Qu’est-ce que les axions ?

Les axions sont des particules hypothétiques ultra-légères qui pourraient expliquer certains phénomènes inexpliqués en physique, comme la matière noire.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Le faisceau de rayons X du plus grand laser à rayons X du monde, l’European XFEL, n’est aussi clairement visible que sur la photo que dans l’obscurité totale et avec un temps d’exposition de 90 secondes. En 2024, les premières expériences visant à détecter les fluctuations quantiques dans le vide auront lieu ici. Source : European XFEL/Jan Hosan

Les informations de cet article sont basées sur les recherches publiées dans la revue «Physical Review D» (DOI: 10.1103/PhysRevD.108.076005).

N. Ahmadiniaz, T. E. Cowan, J. Grenzer, S. Franchino-Viñas, A. Laso Garcia, M. Šmíd, T. Toncian, M. A. Trejo, R. Schützhold: “Detection schemes for quantum vacuum diffraction and birefringence”, in Physical Review D 108, 2023 (DOI: 10.1103/PhysRevD.108.076005)