Le laser intense éclaire la réaction de rayonnement
Les expérimentalistes ont utilisé la lumière laser ultraintense pour explorer un problème fondamental en électrodynamique quantique: la réponse d'un électron accéléré au rayonnement qu'il émet.
Les électrons accélérés émettent un rayonnement électromagnétique, un effet que nous pouvons apprécier chaque jour dans la couleur du ciel ou lorsque les antennes produisent des ondes radio pour envoyer de la musique à nos voitures. Peut-être une idée moins familière est que le rayonnement émis exerce une action sur l'électron lui-même, ce qui a un effet amortissant comme celui de la friction. Les physiciens ont d'abord étudié théoriquement cette «réaction de rayonnement» au début des années 1900. L'effet n'est cependant considérable que lorsque la perte d'énergie de l'électron est grande par rapport au travail effectué par la force accélératrice, ce qui correspond à l'accélération accélérée de l'électron dans son cadre de repos en quelques millisecondes. Bien que cette condition puisse être remplie dans des environnements astrophysiques éloignés, comme le plasma entourant un pulsar, il est beaucoup plus difficile de le faire en laboratoire. Deux articles rapportent des mesures préliminaires de la perte d'énergie des électrons due à la réaction de radiation qui résulte de "secouer" les électrons avec un champ électromagnétique extrêmement intense. Les deux expériences ont utilisé l'un des lasers les plus puissants du monde, mais les deux articles présentent des conclusions divergentes sur le modèle qui décrit le mieux les données.
Le fait qu'un électron accélérant rayonne signifie que l'expression familière de Lorentz pour la force sur un électron dans un champ électromagnétique est incomplète. Prenez, par exemple, un électron dans un champ magnétique constant et uniforme. La force de Lorentz prédit que l'électron subira un mouvement circulaire constant, mais ce n'est pas techniquement possible, puisque la charge irradie de l'énergie. Pour décrire le mouvement réel de la charge, des termes supplémentaires doivent donc être ajoutés à l'équation de Lorentz pour tenir compte de l'effet d'amortissement du rayonnement de l'électron.
Le texte classique de Lev Landau et Evgeny Lifshitz sur la théorie des champs fournit une expression de la force de réaction du rayonnement, qui fonctionne bien lorsque le recul des électrons est négligeable. Cependant, lorsque l'électron émet un rayonnement de haute fréquence (grand moment) - une condition qui peut être remplie lorsque des électrons de haute énergie rencontrent des champs électromagnétiques puissants - le recul des électrons peut être important. Des reculs suffisamment importants correspondent au régime de la réaction dite de rayonnement quantique. Ici, la réaction de rayonnement rappelle l'effet Compton, où un photon est absorbé et un autre est réémis avec une fréquence différente à cause du recul des électrons. La différence est que la réaction de rayonnement quantique implique à la fois l'absorption et l'émission de nombreux photons, et la dynamique des électrons cesse d'être déterministe en raison de la nature probabiliste de l'émission de photons. La description de ce processus nécessite une électrodynamique quantique, mais les calculs impliqués sont si complexes que l'on s'appuie plutôt sur des modèles quantiques simplifiés.
Sans expériences sensibles à la réaction des rayonnements au-delà de la description de Landau-Lifshitz, ce travail théorique a, pour ainsi dire, continué dans le noir. Entrez les deux nouvelles expériences, qui ont été menées par Stuart Mangles de l'Imperial College de Londres et par Matthew Zepf de l'Université Queen's de Belfast. (Les mêmes expérimentateurs mais différents théoriciens ont contribué aux deux articles.) Les deux équipes ont utilisé le laser Astra Gemini au laboratoire Rutherford Appleton au Royaume-Uni. Ce laser produit deux faisceaux d'impulsions synchronisées, chacune d'elles contenant environ un petawatt de puissance dans un volume de la taille d'une cellule bactérienne. Les chercheurs ont dirigé le premier faisceau laser sur un plasma de faible densité pour produire un court paquet d'électrons de haute énergie à travers un processus connu sous le nom d'accélération laser-wakefield. Ils ont dirigé le second faisceau laser sur le paquet d'électrons dans une géométrie contrapropagative. En raison des effets relativistes, cette géométrie garantit que les électrons "voient" la force et la fréquence du champ électromagnétique le plus élevé possible dans leur cadre de repos. Dans ces conditions, les électrons vont disperser les photons du faisceau laser, et ces photons diffusés seront détectés sous forme de rayons gamma dans le cadre du laboratoire. Les électrons perdront également de l'énergie à cause de la réaction de rayonnement.
Les expériences des deux équipes, qui étaient à bien des égards identiques, consistaient à mesurer les spectres d'énergie des électrons et des rayons gamma dans une collision, puis à comparer le spectre des électrons à celui mesuré avec le deuxième faisceau éteint. Les chercheurs ont considéré un événement de collision comme une démonstration «réussie» d'une réaction de rayonnement s'ils détectaient une perte d'énergie électronique en même temps qu'une forte émission de rayons gamma. Les deux expériences n'ont obtenu qu'un petit nombre d'événements réussis, principalement parce qu'il était difficile d'obtenir un bon chevauchement spatio-temporel entre l'impulsion laser et le paquet d'électrons, chacun d'entre eux ne durant que quelques dizaines de femtosecondes. micromètres de largeur. Une complication supplémentaire était que l'énergie moyenne des électrons accélérés par laser-wakefield fluctuait d'une quantité comparable à la perte d'énergie due à la réaction de rayonnement.
Le but ultime de ces mesures était d'utiliser les données pour distinguer les différents modèles de réaction de rayonnement. Dans leur analyse, Mangles et ses collaborateurs ont considéré deux paramètres d'énergie, qui caractérisent respectivement les spectres d'électrons et de rayons gamma. La corrélation prédite entre ces paramètres est différente selon que l'on utilise un modèle classique ou quantique pour la réaction de rayonnement, et l'équipe a trouvé que le modèle quantique fournit une meilleure description des données. Mais la correspondance entre le modèle quantique et les données est au niveau de confiance "1 sigma" - en d'autres termes, il y a seulement 68% de chances que les données soient mieux décrites par un modèle quantique que par un modèle classique.
L'analyse de Zepf et ses collègues était légèrement différente en ce sens qu'ils essayaient de reproduire les formes détaillées des spectres d'électrons mesurés en utilisant des simulations basées sur différents modèles de réaction de rayonnement. Ils ont conclu qu'un modèle «semi-classique», qui introduit une correction phénoménologique à l'expression classique de Landau-Lifshitz pour la réaction de rayonnement, concorde légèrement mieux avec leurs données qu'avec un modèle quantique. Cela peut sembler surprenant, car une description quantique devrait, en principe, être la description la plus générale possible et donc inclusive d'une description classique. Zepf et ses collègues, cependant, disent que la divergence peut indiquer un échec de certaines hypothèses du modèle quantique, une idée qui a été avancée dans une autre étude de la réaction de rayonnement basée sur l'interaction des positrons avec des cristaux.
Les conclusions divergentes dans ces documents servent d'appel pour améliorer la théorie quantique de la réaction de rayonnement. Mais il faut souligner que les nouvelles données sont trop faibles sur le plan statistique pour prétendre à des preuves de réaction de radiation quantique, et encore moins pour décider qu'un modèle existant est meilleur que les autres. Les progrès sur les deux fronts proviendront de la collecte de plus d'événements de collision et de l'obtention d'un paquet d'électrons plus stable grâce à l'accélération laser-wakefield. Des informations complémentaires pourraient provenir de la poursuite d'approches expérimentales complémentaires de l'observation des réactions de rayonnement, ce qui pourrait être possible avec la prochaine génération de systèmes laser à haute intensité. Entre-temps, des expériences comme celles des équipes Mangles et Zepf ouvrent une nouvelle ère dans laquelle l'interaction entre la matière et la lumière laser ultra-intense est utilisée pour étudier des phénomènes fondamentaux, dont certains n'ont jamais été étudiés en laboratoire.
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