Au cas où vous ne l'auriez pas réalisé, les photons sont de minuscules petits morceaux de lumière. En fait, ils sont le plus petit morceau de lumière possible. Lorsque vous allumez une lampe, un nombre gigantesque 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 la fois. Non seulement à partir des lumières de votre pièce, mais les photons affluent également à travers la fenêtre du soleil. Même votre propre corps génère des photons, mais tout en bas dans les 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 infini de photons.
Ce sont 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 à côté d'un autre avec une interaction nulle.
C'est du moins ce que pensaient les physiciens. Mais dans une nouvelle expérience à l'intérieur du destructeur d'atomes le plus puissant du monde, les chercheurs ont eu un aperçu de l'impossible: les photons se heurtant les uns aux autres. Le hic? Ces photons étaient un peu hors de leur jeu, ce qui signifie qu'ils n'agissaient pas comme eux et étaient devenus temporairement "virtuels". En étudiant ces interactions super-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 qui ne vont jamais nulle part dans aucune sorte de ligne droite. Donc, heureusement, deux photons vont simplement se glisser l'un contre 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 pour se heurter, bien que cela se produise très rarement. Les physiciens sont intéressés par ce type de processus car il révèle certaines propriétés très profondes de la nature de la lumière elle-même et pourrait aider à découvrir une physique inattendue.
Les photons interagissent si rarement les uns avec les autres car ils ne se connectent qu'avec des particules qui ont des charges électriques. Ce n'est qu'une de ces règles de l'univers que nous devons respecter. Mais si c'est la règle de l'univers, 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 il porte le nom génial d'électrodynamique quantique.
Dans cette image du monde subatomique, le photon n'est pas nécessairement un photon. Eh bien, au moins, ce n'est pas toujours un photon. Les particules comme les électrons et les photons et tous les autres -on se retournent continuellement d'avant en arrière, changeant d'identité au fur et à mesure de leur voyage. Cela semble déroutant au premier abord: 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 simplement un photon, il peut devenir une paire de particules, un électron chargé négativement et un positron chargé positivement (le partenaire d'antimatière de l'électron), qui voyagent ensemble.
Clignez des yeux et vous allez le manquer, car le positron et l'électron se trouveront, et, comme cela se produit lorsque la matière et l'antimatière se rencontrent, ils s'annihilent, pouf. La paire impaire redeviendra un photon.
Pour diverses raisons qui sont beaucoup 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 ne pouvez 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 en ligne de préimpression 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 laissé les particules de plomb se toucher; au lieu de cela, les morceaux sont venus très, très, très, très près.
De cette façon, au lieu d'avoir à faire face à un gigantesque gâchis de collision, y compris un grand nombre de particules, de forces et d'énergies supplémentaires, les atomes de plomb viennent d'interagir via la force électromagnétique. En d'autres termes, ils ont juste échangé beaucoup de photons.
Et de temps en temps - extrêmement, incroyablement rarement - l'un de ces photons se transformait brièvement en une paire composée d'un positron et d'un électron; ensuite, 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 s'en va joyeusement sans aucun dommage. Finalement, ce positron ou cet électron trouve son compagnon et redevient un photon, de sorte que le résultat de deux photons se heurtant n'est que deux photons rebondissant l'un sur l'autre. Mais le fait qu'ils aient pu se parler est remarquable.
Comme c'est remarquable? Eh bien, après des milliards et des milliards de collisions, l'équipe a détecté un grand total de 59 intersections potentielles. Seulement 59.
Mais que nous apprennent 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 même quantique de ces particules, nous pourrions apprendre une nouvelle physique. Par exemple, dans certains modèles fantaisistes qui repoussent les limites de la physique des particules connue, ces interactions photoniques se produisent à des taux légèrement différents, ce qui nous donne potentiellement un moyen d'explorer et de tester ces modèles. À l'heure actuelle, nous ne disposons pas de suffisamment de données pour faire la différence entre ces modèles. Mais maintenant que la technique est établie, nous pourrions simplement 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.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un astronaute" et "Radio spatiale,"et auteur de"Votre place dans l'univers."
