Expériences d'électro-dynamique quantique

  • L’électrodynamique quantique (QED) est une théorie physique qui unifie la mécanique quantique à l’électromagnétisme. Cette théorie a permis d’expliquer des phénomènes très subtils dans la matière mais ses prédictions les plus étonnantes se produisent lorsque les conditions physiques sont extrêmes et que les processus QED deviennent non linéaires. Dans ce régime, QED prédit (1) que le vide lui-même est un milieu non linéaire qui peut modifier la propagation d’un faisceau lumineux et (2) qu’il est possible de créer de la matière à partir du vide en concentrant suffisamment d’énergie. De tels phénomènes n’ont jamais été observés directement, mais leur étude expérimentale est cruciale pour vérifier les prédictions de QED et mieux comprendre la question.

L’un des projets du groupe UPX est d’atteindre ce régime extrême à l’aide du laser APOLLON, construit sur le plateau de Saclay. À cette fin, deux approches expérimentales sont envisagées.

A) L’approche «indirecte» où le vide n’est pas sondé directement. La collision entre un faisceau d’électrons relativiste et un faisceau laser ultra-intense permet d’augmenter drastiquement le champ laser dans le cadre des électrons. Malgré leur énergie extrême, leur comportement devient quantique: ils sont déviés de manière discontinue par le champ laser produisant des photons de très haute énergie dans l’ultraviolet extrême (XUV) par effet Compton QED. Ces photons XUV entreront ensuite en collision avec les électrons de haute énergie pour la création de paires électron-positon.

B) L’approche «directe» où le vide est directement sondé. Il faut concentrer suffisamment de lumière dans le vide pour atteindre des champs lumineux extrêmes. Avec les lasers les plus puissants du monde, il manque plus de 5 ordres de grandeur pour atteindre de telles intensités. Une autre stratégie consiste à convertir l’énergie laser en longueurs d’onde XUV qui peuvent être focalisées plus étroitement. A de telles intensités, les «convertisseurs» de longueur d’onde les plus efficaces sont les miroirs à plasma. Les miroirs à plasma ont une réponse très non linéaire et reflètent le champ laser avec (1) compression dans le temps, (2) conversion d’une fraction significative de l’énergie vers le XUV, et (3) avec une bosselure du plasma qui produit une parabole qui -focalise »le faisceau réfléchi.

Cette stratégie permettra de sonder la non-linéarité du vide et de créer des paires électron-positon dans le vide.

Ces deux stratégies complémentaires (A et B) permettront de sonder le QED non linéaire dans différents régimes.