Bienvenue dans un nouveau monde... le notre

L’interaction photon-photon observée au LHC
Actualités

L’interaction photon-photon observée au LHC

En physique fondamentale, il est de plus en plus fréquent que des décennies séparent une prédiction de sa confirmation expérimentale : le boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC, avait été imaginé dans les années 1960, les ondes gravitationnelles, observées en 2015 par la collaboration LIGO/Virgo, avaient été postulées par Albert Einstein un siècle plus tôt, en 1916. Il y a quelques mois, un phénomène nommé biréfringence magnétique du vide avait été mis en évidence, près de 80 ans après que deux physiciens allemands, Werner Heisenberg et Hans Heinrich Euler ont développé la théorie qui en suggère l’existence. Cette théorie prévoyait aussi l’existence d’un autre processus, la diffusion élastique photon-photon, c’est-à-dire l’interaction d’un photon avec un autre photon. La collaboration Atlas, au LHC, vient d'observer ce processus rare.

À première vue, l’idée de l’interaction d’un photon avec un autre photon a de quoi surprendre. En effet, les équations de Maxwell ne prévoient pas qu’un photon interagisse directement avec un autre. Lorsque deux faisceaux de lumière se croisent, ils n’interagissent pas. Ils peuvent éventuellement interférer localement (un effet lié à la superposition de leurs champs électromagnétiques), mais ils poursuivent leur chemin sans être modifiés.

Dans les années 1940, suite au développement de la physique quantique, les chercheurs ont réécrit la théorie de l’électromagnétisme sous sa forme quantifiée, l’électrodynamique quantique (QED). Mais dès 1934, Heisenberg et Euler avaient proposé une théorie qui annonçait dans une certaine mesure la future QED. Les deux chercheurs ont alors suggéré que, par des effets non linéaires, deux photons pouvaient interagir.

Comment la QED décrit-elle ce processus ? Deux électrons interagissent par l’échange d’un ou plusieurs photons : c’est la traduction dans le langage quantique de l’interaction électromagnétique. De la même façon, deux photons peuvent interagir via l’échange d’un électron (et plus généralement de toute particule portant une charge électrique). Le point clé est que les électrons portent une charge électrique qui doit être conservée au cours du processus. Par conséquent, le premier photon devra renvoyer l’électron reçu du deuxième photon, ce qui produit un aller-retour d’électrons. En QED, on parle alors d’un échange en forme de boîte (ou en boucle) qui comprend des électrons et leurs antiparticules (des positrons). Dans cet effet purement quantique, les particules échangées n'apparaissent que pendant un laps de temps très court, correspondant à la durée de l’interaction : on parle de particules virtuelles.

La mise en évidence expérimentale de ce processus est cependant un défi. En effet, la probabilité que deux photons interagissent de la sorte est très faible et il faut un flux important de photons pour espérer qu’une seule diffusion ait lieu. Même les lasers les plus puissants ne sont pas assez intenses pour espérer voir un photon interagir avec un autre. Seules des mesures indirectes ont jusqu'ici été effectuées, dans lequel un des photons est lui-même virtuel.

La collaboration Atlas a exploité une autre approche pour mettre en évidence la diffusion photon-photon. Le LHC n’accélère pas seulement des protons. Pendant certaines périodes, il fait entrer en collision des ions de plomb. L’objectif principal de ces collisions est de créer un plasma de quarks et de gluons, un état de la matière supposé avoir été celui de l’Univers dans ses premiers instants. Mais l’utilisation d’ions de plomb a aussi un intérêt pour le phénomène qui nous intéresse ici.

Chaque ion est accéléré à une vitesse proche de celle de la lumière. Le champ électromagnétique qui l’entoure est alors contracté dans le plan perpendiculaire à la direction de déplacement (du fait des transformations relativistes de Lorentz). Par ailleurs, les ions de plomb ayant une charge électrique importante (leur noyau contient 82 protons), l’intensité du champ électromagnétique est grande. Il en résulte que le champ électromagnétique de ces ions relativistes peut quasiment être comparé à un faisceau de photons. Dans les conditions expérimentale du LHC, la possibilité de faire interagir deux photons est potentiellement à la portée d’Atlas… même si elle reste plus de 100 millions de fois plus faible que la probabilité d’interaction, dite hadronique, entre deux ions de plomb.

Pour mettre en évidence une telle interaction photon-photon, les physiciens ont sélectionné uniquement les événements dans lesquels les détecteurs enregistraient la présence de deux photons émis dans des directions opposées et aucune interaction hadronique entre les ions de fer. En d'autres termes, des configurations où les ions se croisaient assez prêt pour que les photons de leur champ électromagnétique interagissent mais sans qu’eux-mêmes n’entrent en collision frontale. En analysant les données et en écartant d’autres processus qui miment celui qui les intéressent, les chercheurs ont isolé 13 événements qui correspondraient à une diffusion élastique photon-photon.

Un des intérêts de cette étude est que la boucle de particules virtuelles intervenant dans la diffusion des photons ne fait pas uniquement intervenir la paire électron-positron, mais potentiellement toutes les paires de particules chargées, connues ou à découvrir. Ces paires contribuent toutes à divers degrés à la section efficace (la probabilité d'interaction) de la diffusion photon-photon. Ainsi, en mesurant cette section efficace, les physiciens pourraient avoir accès à des informations sur l’existence éventuelle de nouvelles particules. Pour l’instant, les données d’Atlas sont peu nombreuses, ce qui conduit à de grandes incertitudes sur la valeur de la section efficace. Mais déjà des théoriciens, comme John Ellis, du Cern, ont pu en tirer partie pour poser des contraintes sur certaines théories au-delà du modèle standard.


Source : Pour la Science
Crédit : CERN/ATLAS experiment/Claudia Marcelloni De Oliveira

Les détecteurs d'ATLAS (ici en position ouverte pendant une phase de maintenance) ont permis d'identifier des interactions photon-photon, un processus de probabilité très faible.

L’interaction photon-photon observée au LHC Actualités

L’interaction photon-photon observée au LHC

En physique fondamentale, il est de plus en plus fréquent que des décennies séparent une prédiction de sa confirmation expérimentale : le boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC, avait été imaginé dans les années 1960, les ondes gravitationnelles, observées en 2015 par la collaboration LIGO/Virgo, avaient été postulées par Albert Einstein un siècle plus tôt, en 1916. Il y a quelques mois, un phénomène nommé biréfringence magnétique du vide avait été mis en évidence, près de 80 ans après que deux physiciens allemands, Werner Heisenberg et Hans Heinrich Euler ont développé la théorie qui en suggère l’existence. Cette théorie prévoyait aussi l’existence d’un autre processus, la diffusion élastique photon-photon, c’est-à-dire l’interaction d’un photon avec un autre photon. La collaboration Atlas, au LHC, vient d'observer ce processus rare.

À première vue, l’idée de l’interaction d’un photon avec un autre photon a de quoi surprendre. En effet, les équations de Maxwell ne prévoient pas qu’un photon interagisse directement avec un autre. Lorsque deux faisceaux de lumière se croisent, ils n’interagissent pas. Ils peuvent éventuellement interférer localement (un effet lié à la superposition de leurs champs électromagnétiques), mais ils poursuivent leur chemin sans être modifiés.

Dans les années 1940, suite au développement de la physique quantique, les chercheurs ont réécrit la théorie de l’électromagnétisme sous sa forme quantifiée, l’électrodynamique quantique (QED). Mais dès 1934, Heisenberg et Euler avaient proposé une théorie qui annonçait dans une certaine mesure la future QED. Les deux chercheurs ont alors suggéré que, par des effets non linéaires, deux photons pouvaient interagir.

Comment la QED décrit-elle ce processus ? Deux électrons interagissent par l’échange d’un ou plusieurs photons : c’est la traduction dans le langage quantique de l’interaction électromagnétique. De la même façon, deux photons peuvent interagir via l’échange d’un électron (et plus généralement de toute particule portant une charge électrique). Le point clé est que les électrons portent une charge électrique qui doit être conservée au cours du processus. Par conséquent, le premier photon devra renvoyer l’électron reçu du deuxième photon, ce qui produit un aller-retour d’électrons. En QED, on parle alors d’un échange en forme de boîte (ou en boucle) qui comprend des électrons et leurs antiparticules (des positrons). Dans cet effet purement quantique, les particules échangées n'apparaissent que pendant un laps de temps très court, correspondant à la durée de l’interaction : on parle de particules virtuelles.

La mise en évidence expérimentale de ce processus est cependant un défi. En effet, la probabilité que deux photons interagissent de la sorte est très faible et il faut un flux important de photons pour espérer qu’une seule diffusion ait lieu. Même les lasers les plus puissants ne sont pas assez intenses pour espérer voir un photon interagir avec un autre. Seules des mesures indirectes ont jusqu'ici été effectuées, dans lequel un des photons est lui-même virtuel.

La collaboration Atlas a exploité une autre approche pour mettre en évidence la diffusion photon-photon. Le LHC n’accélère pas seulement des protons. Pendant certaines périodes, il fait entrer en collision des ions de plomb. L’objectif principal de ces collisions est de créer un plasma de quarks et de gluons, un état de la matière supposé avoir été celui de l’Univers dans ses premiers instants. Mais l’utilisation d’ions de plomb a aussi un intérêt pour le phénomène qui nous intéresse ici.

Chaque ion est accéléré à une vitesse proche de celle de la lumière. Le champ électromagnétique qui l’entoure est alors contracté dans le plan perpendiculaire à la direction de déplacement (du fait des transformations relativistes de Lorentz). Par ailleurs, les ions de plomb ayant une charge électrique importante (leur noyau contient 82 protons), l’intensité du champ électromagnétique est grande. Il en résulte que le champ électromagnétique de ces ions relativistes peut quasiment être comparé à un faisceau de photons. Dans les conditions expérimentale du LHC, la possibilité de faire interagir deux photons est potentiellement à la portée d’Atlas… même si elle reste plus de 100 millions de fois plus faible que la probabilité d’interaction, dite hadronique, entre deux ions de plomb.

Pour mettre en évidence une telle interaction photon-photon, les physiciens ont sélectionné uniquement les événements dans lesquels les détecteurs enregistraient la présence de deux photons émis dans des directions opposées et aucune interaction hadronique entre les ions de fer. En d'autres termes, des configurations où les ions se croisaient assez prêt pour que les photons de leur champ électromagnétique interagissent mais sans qu’eux-mêmes n’entrent en collision frontale. En analysant les données et en écartant d’autres processus qui miment celui qui les intéressent, les chercheurs ont isolé 13 événements qui correspondraient à une diffusion élastique photon-photon.

Un des intérêts de cette étude est que la boucle de particules virtuelles intervenant dans la diffusion des photons ne fait pas uniquement intervenir la paire électron-positron, mais potentiellement toutes les paires de particules chargées, connues ou à découvrir. Ces paires contribuent toutes à divers degrés à la section efficace (la probabilité d'interaction) de la diffusion photon-photon. Ainsi, en mesurant cette section efficace, les physiciens pourraient avoir accès à des informations sur l’existence éventuelle de nouvelles particules. Pour l’instant, les données d’Atlas sont peu nombreuses, ce qui conduit à de grandes incertitudes sur la valeur de la section efficace. Mais déjà des théoriciens, comme John Ellis, du Cern, ont pu en tirer partie pour poser des contraintes sur certaines théories au-delà du modèle standard.


Source : Pour la Science
Crédit : CERN/ATLAS experiment/Claudia Marcelloni De Oliveira

Les détecteurs d'ATLAS (ici en position ouverte pendant une phase de maintenance) ont permis d'identifier des interactions photon-photon, un processus de probabilité très faible.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

25 - Doubs

►Du 1er mai au 14 février 2027

EXPOSITION 
"MYSTIFICATION" - ARCHITECTURE ET CINÉMA, LA QUÊTE DE L’ILLUSION

À une époque où les frontières entre le réel et la fiction sont brouillées, l’architecture et le cinéma se rencontrent pour vous inviter à une expérience visuelle immersive à travers l’art de l’illusion.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
03 81 54 45 13
www.salineroyale.com

►Du 7 juin au 18 octobre 

FESTIVAL DES JARDINS
"LES INSECTES : LE MONDE DE LA MÉTAMORPHOSE"

Dans les nouveaux jardins du Festival, découvrez un monde visible et fascinant : la beauté des papillons, la mécanique des lucarnes, la cruauté de l’élégante mante religieuse, le vol imposant de l’abeille charpentière ou encore les libellules d’un autre temps…

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
03 81 54 45 13
www.salineroyale.com

31 - Haute-Garonne

►Le 26 avril

"VISITE COCKPITS"
AILES ANCIENNES TOULOUSE

Pour cette 1ère édition 2026 de la célèbre et attendue « Journée Cockpit », notre association a choisi de mettre à l’honneur l’aviation et la moto. Seront présents, avec leurs magnifiques machines, les membres des associations "Blagnac Moto Rétro", "French Army Vets", "Capitole Gentlemen Motorcycle". Participeront aussi nos amis du Peloton motorisé de la Gendarmerie Nationale.

Ailes Anciennes Toulouse
Parking Site Aéroscopia
Allée André Turcat
31700 Blagnac
05 62 13 78 10
www.aatlse.org

37 - Indre-et-Loire

►Les 8 & 9 mai et 20 juin 

VISITE GUIDÉE 
"LA TOURMENTE DE LA SECONDE GUERRE MONDIALE"

À l’occasion de la commémoration de l’armistice du 8 mai 1945, et de la bataille d’Amboise, le château royal d’Amboise vous propose une visite guidée consacrée à son Histoire durant le second conflit mondial. Notre collègue Camille, guide-conférencière passionnée par cette période, évoquera avec vous les épisodes connus par l’édifice entre 1939 et 1945, images d’archives et anecdotes à l’appui.

Château royal d’Amboise
Montée de l’Emir Abd el Kader
37400 Amboise
02 47 57 00 98
www.chateau-amboise.com

38 - Isère

►Jusqu'au 29 mars 2027

EXPOSITION
"LES FORMES DE L'EAU"

Présente dans la nature sous des formes multiples, l’eau constitue une source d’inspiration inépuisable pour les artistes. Dans l’œuvre d’Arcabas, à travers une quinzaine d’œuvres mêlant motifs figuratifs et abstraits, la beauté des phénomènes naturels se révèle et les émotions suscitées par les multiples métamorphoses de l’eau sont suggérées avec finesse. 

Musée arcabas en Chartreuse
Eglise de Saint-Hugues
38380 Saint-Pierre-de-Chartreuse
04 76 88 65 01
https://musees.isere.fr

42 - Loire

►Le 14 avril

ATELIERS VACANCES 
"CRÉATION D'ATTRAPE-RÊVES"

Dans la tradition amérindienne, les attrape-rêves servent à éloigner les cauchemars et rendre nos nuits plus paisibles. Apprends à réaliser ton propre attrape-rêves à partir de chutes textiles et de décorations sur le thème de Pâques ! Dès 3 ans. Réservation obligatoire. Tarif unique : 5 € par personne.

Musée du tissage et de la soierie
125 Place Vaucanson
42510 Bussières
04 77 27 33 95 
www.museedutissage.com

►Jusqu'au 15 novembre

EXPOSITION
"REMAILLER - LA MÉMOIRE VIVE DU TEXTILE EN ROANNAIS"

Conçue par Elodie Guyot, photographe passionnée originaire de St-Jodard, cette exposition rend hommage aux anciennes ouvrières en bonneterie roannaise. Leurs portraits se croisent avec ceux des élèves en filière Métiers de la mode du Lycée Carnot à Roanne. Focus aussi sur l'une des dernières entreprises de tricotage roannaise : Henitex Bel Maille. 

Musée du tissage et de la soierie
125 Place Vaucanson
42510 Bussières
04 77 27 33 95 
www.museedutissage.com

52 - Haute-Marne

►Jusqu'au 19 avril 

EXPOSITION 
"175 ANS DE CRÉATION BRASSICOLEÀ SAINT-DIZIER"

La brasserie du fort carré a été un des fleurons économiques de Saint-Dizier. En activité de 1796 à 1955, elle marqué le paysage urbain de la ville, et est à l’origine de la construction de la Tour Miko. Des techniques de productions de la bière, au nombreux objets publicitaires, l’exposition retracera l’histoire d’une brasserie restée dans les mémoires.

Musée de Saint-Dizier
17 rue de la Victoire 
52100 Saint-Dizier
03 25 07 31 50
www.saint-dizier.fr

57 - Moselle

►Jusqu'au 28 septembre

EXPOSITION
"FRANÇOIS MORELLET"

Inaugurant le centenaire de la naissance de François Morellet (1926-2016), le Centre Pompidou-Metz présente une rétrospective en 100 œuvres allant de 1941 à 2016, la plus complète jamais réalisée à ce jour.

Centre Pompidou-Metz
1 parvis des Droits-de-l'Homme 
57000 Metz 
03 87 15 17 17
www.centrepompidou-metz.fr

59 - Nord

►Jusqu'au 20 août

EXPOSITION
"VAISSEAU TERRE"

Conçue, réalisée et présentée par la Cité de l’espace à Toulouse, cette exposition porte un regard renouvelé sur la Terre. Grâce à la richesse de ses contenus, elle présente les dernières découvertes à la croisée des sciences naturelles, physiques et humaines.

Forum des Sciences
1 place François Mitterrand
59650 Villeneuve d'Ascq
03 59 73 96 00
https://forumdepartementaldessciences.fr

►Jusqu'au 17 janvier 2027

EXPOSITION
"CROQUE COULEURS"

Des couleurs qui jouent un rôle dans la façon de se comporter, de s’exprimer, de vivre en société. Et si l’on prenait le temps de les observer et de les explorer. Grâce à un parcours interactif, ludique et sensoriel, les enfants expérimentent les phénomènes de perception des couleurs et jouent avec leurs symboliques.

Forum des Sciences
1 place François Mitterrand
59650 Villeneuve d'Ascq
03 59 73 96 00
https://forumdepartementaldessciences.fr

65 - Hautes-Pyrénées

►Du 18 avril au 3 mai

ANIMATIONS 
"LA PEINTURE AU PALÉOLITHIQUE"

Quels pigments naturels ont servi à réaliser les mains négatives ? Quels outils sont utilisés pour dessiner sur les parois ? Les animateurs présentent les techniques de la peinture préhistorique.
Et petit + : Repartez avec l’empreinte de votre/vos mains.

Grottes préhistoriques de Gargas & Nestploria
81 route de Gargas
65660 Aventignan
05 62 98 81 50
https://grottesdegargas.fr

67 - Bas-Rhin

►Jusqu'au 17 mai

EXPOSITION DES PHOTOGRAPHIES DE KARINE FABY
"MOSSI : UN VASE, DES SAVOIR-FAIRE"

Cette année, le choix a été fait de se concentrer sur les différentes étapes de fabrication d’un objet emblématique, le vase Mossi, dont le modèle a été créé par René Lalique en 1933. Depuis le travail sur le moule jusqu’à la signature finale, vous retrouverez toutes les étapes au travers de 20 photographies réalisées par Karine Faby.

Musée Lalique
40 rue du Hochberg
67290 Wingen-sur-Moder
03 88 89 08 14
www.musee-lalique.com

68 - Haut-Rhin

►Jusqu'au 28 juin

EXPOSITION 
"JOUSTRA, DES JOUETS MADE IN ALSACE"

Contraction de "JOUets de STRAsbourg", Joustra a produit de nombreux jouets avec un pic de popularité dans les années 1950 et 1960. Grâce à la collection d’un passionné bas-rhinois, Claude Schwach, venez découvrir tous types de jouets : jouets mécaniques, jouets téléguidés puis radiocommandés, voitures, grues, engins de chantier, bateaux, jeux scientifiques puis plus tard le célèbre télécran...

La Nef des Jouets
12 rue Jean Jaurès
68360 Soultz
03 89 74 30 92
www.ville-soultz.fr

71 - Saône-et-Loire

►Le 15 avril

ATELIER CUISINE
"LE HAMBURGER DU PRINTEMPS"

En avril, nous déclinons l'incontournable recette du hamburger avec un pain vert et des ingrédients de saison, coloré et pleins de saveurs !
À partir de 4 ans. 10,30 € / personne. Pensez à réserver ! Nombre de places limité.

La Maison du Charolais
43 route de Mâcon 
71120 Charolles
03 85 88 04 00
www.maison-charolais.com

74 - Haute-Savoie

►Jusqu'au 18 avril

ATELIERS ET ANIMATIONS VACANCES
MUSÉE DE PRÉHISTOIRE ET GÉOLOGIE

Au cœur de ces deux semaines d’animations : des ateliers variés pour découvrir la Préhistoire autrement (fouilles archéologiques, art pariétal, poterie, chasse, taille du silex…) et un Escape Game permettant de (re)découvrir le musée de manière inédite. Un stage est également proposé pour les enfants de 7 à 12 ans afin de s’initier à l’art préhistorique.

Musée de Préhistoire et Géologie
207 route du Moulin de la Glacière
74140 Sciez-sur-Léman
04 50 72 60 53
www.musee-prehistoire-sciez.com

75 - Paris

►Jusqu'au 10 janvier 2027

ZEUS, LE CHEVAL MÉTALLIQUE AU MUAM

Le musée accueille sur son parvis le cheval métallique Zeus, œuvre monumentale qui a marqué les esprits lors de la cérémonie d’ouverture des Jeux Olympiques et Paralympiques de Paris 2024.
Jusqu'au 29 mars 2026, dans le chœur de l’église Saint-Martin-des-Champs du MuAM, une exposition exceptionnelle intitulée "Zeus, chef-d’œuvre d’artisans" retrace la genèse et la fabrication de cette œuvre.

Musée des Arts et Métiers
60 rue Réaumur
75003 Paris
01 53 01 82 63
www.arts-et-metiers.net

►Jusqu'au 13 décembre

EXPOSITION
CHAÏM KALISKI - "JIM D’ETTERBEEK"

Double graphique de l’artiste, Jim d’Etterbeek est le titre d’une monumentale œuvre dessinée sur l’Occupation à Bruxelles, constituée de plus de cinq mille dessins de Chaïm-Charles Kaliski (1929-2015), être singulier dont l’existence fut à jamais marquée par la Shoah.

Musée d’art et d’histoire du Judaïsme
71 rue du Temple
75001 Paris
01 53 01 86 53
www.mahj.org

►Jusqu'au 17 mai 

EXPOSITION "FLOPS" 

Échec, bide, raté, fiasco… on estime que neuf innovations sur dix échouent et les raisons de la galère ne sont pas toujours évidentes ! En explorant les "bides" comme les trajectoires de réussites inattendues, l’exposition Flops-?! propose une lecture bienveillante de l’échec et ouvre la voie à une découverte singulière des collections du MuAM – Musée des Arts et Métiers.  

Musée des Arts et Métiers
60 rue Réaumur
75003 Paris
01 53 01 82 63
www.arts-et-metiers.net

►Jusqu'au 31 juillet 

EXPOSITION
"L’ÉTOFFE DES RÊVES"

Le vent de l’Art Brut et du surréalisme soufflera sur les 300 œuvres des 36 artistes réunis dans tout l’espace de la Halle Saint Pierre. "L’Étoffe des rêves" est le fruit d’une collaboration entre la Halle Saint Pierre et le Centre international du surréalisme et de la Citoyenneté mondiale à Saint-Cirq-Lapopie.

Halle Saint Pierre
2 rue Ronsard
75018 Paris
01 42 58 72 89
www.hallesaintpierre.org

84 - Vaucluse

►Du 20 avril au 31 mars 2027

EXPOSITION 
"UN SIÈCLE D’ART AU CHÂTEAU DE LOURMARIN"

Depuis les années 1920, plus de 600 artistes et musiciens ont séjourné en résidence à Lourmarin. À travers peintures, gravures, sculptures et photographies de 30 artistes, cette exposition retrace un siècle de création et d’inspiration au château, en mettant en lumière la diversité des courants artistiques du XXè et du début du XXIè siècle.

Château de Lourmarin
2 avenue Laurent Vibert
84160 Lourmarin
04 90 68 15 23
www.chateaudelourmarin.com

Lieux:
Découvrir toutes les activités