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L’interaction photon-photon observée au LHC
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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 . . .

01 - Ain

Du 30  août au 13 septembre

CONCERTS
"LES MUSICALES DU PARC DES OISEAUX"

Des artistes engagés en faveur de la protection de l’environnement et des musiciens de légende viendront fêter les 50 ans du Parc des Oiseaux.
Paul Personne - Zazie - Paolo Comte - Daniel Guichard - Vitaa & Slimane - The Dire Straits Expérience - Ibrahim Maalouf - Maxime Le Forestier - Yannick Noah - Louis Bertignac - Gauvin Sers - La Rue Ketanou.

Parc des Oiseaux
01330 Villars Les Dombes
04 74 98 05 54
www.parcdesoiseaux.com


09 - Ariège

Le 15 février

"FABRIQUE TA FLÈCHE ET TON PROPULSEUR ! "

Au coin du feu, vous vous transformerez en chasseur préhistorique ! Vous fabriquerezune flèche et un propulseur en bois avec les moyens disponibles au néolithique… Le tout se terminera par un bon goûter de chez nous !
Le samedi 15 février 2020 de 14h à 17h30. Sur inscription. 8,50 €/adulte – 7 €/enfant.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


Le 22 février

BALLADE EN RAQUETTE
"À LA DÉCOUVERTE DES TRACES DANS LA NEIGE..."

Venez découvrir la neige autrement. Vous apprendrez à lire la neige, à fabriquer un abri, à allumer un feu dans la neige ou interpréter des traces sur la neige...(Pique-nique tiré du sac).
Le samedi 22 février de 10h à 17h30. Sur inscription. 30 €/adulte & 25 €/enfant à partir de 12 ans. Location de raquettes : 5 €/personne.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


11 - Aude

Le 26 janvier

"L'UNIVERS DES POTIERS"

Plongez dans l'univers des potiers lors d'une visite guidée au musée. Tarif : 5 € / 3 €

Amphoralis
Allée des potiers
11590 Sallèles d’Aude
04 68 46 89 48
www.amphoralis.com


22 - Côtes d'Armor

Du 15 décembre au 15 mars

EXPOSITION
"FRONDAISONS"
La fabrique d’un maquis de l’Argoat

Le pôle de l'Étang-Neuf présente l'oeuvre de Sophie Zénon, "Frondaisons", la fabrique de l'image d'un maquis de l'Argoat, une exposition de photographies et de vidéos.

Pôle de l'Étang-Neuf
22480 Saint-Connan
02 96 47 17 66
www.etangneufbretagne.com


25 - Doubs

Du 15 février au 3 mai 2020

EXPOSITION
"GEORGES FESSY ET LA PHOTOGRAPHIE"

Exposition en coproduction avec le Familistère de Guise. Georges Fessy et la photographie est une rétrospective présentée à travers plus d’une centaine de photographies qui traduit la diversité d’une vie de photographe : paysages, portraits, natures mortes, objets d’art, vues d’architectures.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


30 - Gard

Jusqu'au 8 mars

EXPOSITION
« FEU », l’expo brûlante de la rentrée au Pont du Gard

FEU conçue par Universcience qui propose d’explorer la thématique de la maîtrise du feu par l’humain. Accessible dès 9 ans, cette exposition rassemble des installations audiovisuelles, des dispositifs multimédia et des expériences interactives ainsi que de nombreux objets visant à enrichir la connaissance des visiteurs et à déconstruire les idées reçues.

Site du Pont du Gard
La Bégude
400 route du Pont du Gard
30210 Vers-Pont-du-Gard
04 66 37 50 99
www.pontdugard.fr


34 - Hérault

Jusqu'au 23 février

EXPOSITION
"Ensor, Magritte, Alechinsky..."

L'exposition invite à un cheminement sensible sur les sentiers de l'art Belge à travers une sélection de chefsd’oeuvre des collections du Musée d'Ixelles (Bruxelles).

Musée de Lodève
square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


39 - Jura

Du 20 janvier au 2 avril

ATELIERS
"L’ŒIL ET LA MAIN"

Le Musée de la Lunette organise  une visite de l’exposition temporaire « Les lunettes en voient de toutes les couleurs ». Les enfants découvriront l’utilisation de la couleur en lunetterie, ses principes et surtout son design inspirant ! Ils participeront par la suite à un atelier artistique animé par l’une de nos artistes plasticiennes. Cet atelier est à destination des scolaires, de la maternelle au collège.

Musée de la Lunette
Place Jean Jaurès
39400 Morez - Hauts de Bienne
03 84 33 39 30
www.musee-lunette.fr


63 - Puy-de-Dôme

Janvier et février

"CLASSE NEIGE A PETITS PRIX"

Au Centre des Volcans propose un passeport Évasion Glacée à petits prix pour les derniers créneaux disponibles en janvier et février 2020.Venez découvrir les volcans sous la neige...

Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


De janvier à mars

SEJOURS SCOLAIRES
"LES 4 ÉLÉMENTS" et "L'AUVERGNE DES NEIGES"

Des tarifs imbattables sur les séjours scolaires pour les mois de janvier, février et mars 2020 ! Séjours à réserver rapidement.

.Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


65 - Hautes-Pyrénées

Le 15 février

EXPÉDITION SOUTERRAINE
"GRAVER ET PEINDRE DANS UNE GROTTE"

Aller au fond d’une grotte pour peindre ou graver n’est pas une chose anodine ! Évoluer sur un sol accidenté, marcher, ramper ou encore escalader des parois dans l’obscurité et l’humidité montre que nos ancêtres prenaient des risques insensés ! Venez vivre un parcours initiatique dans la préhistoire. Réservation obligatoire. A partir de 8 ans.

Grottes préhistoriques de Gargas/Nestplori@
Route départementale 261
65660 Aventignan
https://grottesdegargas.fr


81 - Tarn

Jusqu'au 2 février

EXPOSITION
"PRESQUE"

Emmanuelle Pernet nous présente cette année, au travers d’une vingtaine de des-sins et d’une installation, son travail sur le mouvement et la persistance rétinienne.

Muséum d’histoire naturelle Philadelphe-Thomas
2 place Philadelphe Thomas
81600 Gaillac
05 63 57 36 31
www.ville-gaillac.fr

Lieux:

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