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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 . . .

04 - Alpes-de-Haute-Provence

►Le 14 février

"SOIRÉE ROMANTIQUE SOUS LES ÉTOILES"
CENTRE D’ASTRONOMIE

Une soirée unique et romantique, entre découverte et émerveillement. Au programme : Une séance de planétarium sur le thème de l’amour et des étoiles, pour un voyage captivant à travers l’Univers.
Une observation aux télescopes, main dans la main, pour admirer ensemble la beauté du ciel nocturne. De 18h et 21h30. Durée : 2h30. Séance en duo. 70 € pour deux personnes.

Centre d’Astronomie
Plateau du Moulin à Vent
748 route du Centre Astro
04870 Saint-Michel l’Observatoire
04 92 76 69 69
www.centre-astro.com

34 - Hérault

►Jusqu'au 1er mars

EXPOSITION
"IMMERSION URBAINE"

Exposition collective et évolutive réunissant plus de 18 artistes. Autour du thème de la récupération, du recyclage et de l’upcycling, chaque artiste construit à partir de cloisons de récupération et d’éléments de cinéma, pour créer un univers singulier. Présente à l’intérieur et aux extérieurs du musée, l'exposition offre aux visiteurs une expérience artistique renouvelée à chaque visite.

Musée Parcelle473
425 avenue frères Buhler
34080 Montpellier
06 66 02 69 29
www.parcelle473.com

38 - Isère

►Jusqu'au 30 mars  

EXPOSITION
"PEINDRE LA LUMIÈRE, DE LA MAQUETTE AU VITRAIL"

Arcabas (1926-2018) s’est intéressé toute sa vie au vitrail qu’il abordait en tant que peintre avant tout. De l'expérience fondatrice de l'église Saint-Hugues aux dernières réalisations du Sacré-Cœur de Grenoble et de Saint-Christophe-sur-Guiers, l’exposition met l’accent sur les maquettes créées par Arcabas et la façon dont elles ont été traduites par les maitres verriers.

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

42 - Loire

►Du 14 février au 2 mars

"ATELIERS VACANCES"
MUSÉE DU TISSAGE ET DE LA SOIERIE

Les vacances approchent et avec elles le nouveau programme d'animations du musée ! Avec des alpagas, des attrape-rêves carnavalesques et un nouvel atelier créatif qui plaira aux enfants ! 

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

62 - Pas-de-Calais

►Du 31 janvier au 7 mars

EXPOSITION DE PEINTURES DE BERNARD CLARISSE

Les œuvres présentées au musée sont une interprétation du travail de la terre, inspirée par la lecture des auteurs grecs et par l’histoire de l’art. Les mercredis, samedis et dimanches de 14h30 à 17h30. Entrée gratuite. Visites de groupes sur rdv les lundis, mardis et jeudis.

Musée municipal Bruno Danvin
Rue Oscar Ricque
62130 Saint-Pol-sur-Ternoise
03 21 04 56 25 / 07 89 08 15 64 
www.saintpolsurternoise.fr

63 - Puy de Dôme

►Jusqu''au 1er mars 

EXPOSITION 
"LE MOBILIER BIJOU" DE GUILLAUME PIÉCHAUD"

Découvrez l’importante rétrospective consacrée à cet artiste unique qui regroupe un ensemble inédit d’œuvres et d’objets personnels retraçant son riche parcours, des ateliers de bijouteries à la confection de mobilier monumental. De nombreuses animations pour les enfants en lien avec l'univers du designer Guillaume Piéchaud sont disponibles durant les vacances d'automne !

Musée Mandet
14 rue de l’Hôtel de Ville
63200 Riom
04 73 38 18 53
www.rlv.eu/decouvrir/musees/musee-mandet-1

65 - Hautes-Pyrénées

►Les 17 & 31 janvier

VISITES APPROFONDIES
GROTTES DE GARGAS

Les guides des grottes organisent des visites au format plus long que les visites classiques : 1h30 au lieu de 50 mn, au travers des deux sanctuaires de Gargas. Un temps dédié à la discussion avec les guides ainsi qu'à des dessins paléolithiques ınédıts. Gargas n'aura presque plus de secrets pour vous...

Grottes de Gargas
81 route de Gargas
65660 Aventignan
05 62 98 81 50
www.grottesdegargas.fr

67 - Bas-Rhin

►Jusqu’au 29 mars

EXPOSITION
"UN AMOUR DE LALIQUE – UNE IDÉE DE PARADIS"

Une sélection d’œuvres de la collection du Fonds Régional d’Art Contemporain (FRAC) Alsace entre en résonance avec un choix effectué parmi les pièces conservées au musée Lalique. Pour cette première collaboration, c’est une certaine vision du paradis qui est proposée au fil de l’exposition. 

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

68 - Haut-Rhin

►Jusqu'au 1er mars 

EXPOSITION
"STRUCTURES EN DÉRIVE"

La Fondation Fernet-Branca présente Structures en dérive, une exposition réunissant neuf artistes aux pratiques photographiques et transdisciplinaires.
L’exposition explore la photographie comme terrain d’expérimentation, entre approche documentaire et poétique.

Fondation Fernet-Branca
2 rue du Ballon
68300 Saint-Louis 
03 89 69 10 77
www.fondationfernet-branca.org

71 - Saône-et-Loire

►Février

"ATELIERS PÉDAGOGIQUES" 
LA MAISON DU CHAROLAIS

À la Maison du Charolais, les enfants sont tour à tour apprentis Chefs, p’tits artistes ou explorateurs ! 
10 & 18 février : Atelier cuisine "hamburger de la St Valentin" (pain de couleur rose, à la betterave). 10 février : Atelier artistique "l’amour vache" (cœur en bois à peindre avec vache en feutrine à découper). 17 février : Atelier cuisine "igloo charolais et son île flottante". 18 février : Atelier artistique "la charolaise s’habille" (recycle tes vieux vêtements).

La Maison du Charolais
43 route de Mâcon (RCEA N79 sortie 12)
71120 Charolles
03 85 88 04 00
www.maison-charolais.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 28 février 

EXPOSITION
"CLEMENCEAU ET LA GRÈCE"

Cette exposition met en lumière la relation profonde et inspirante que Georges Clemenceau a entretenue avec l’Hellade tout au long de sa vie. Cette passion, née de son éducation, a marqué sa carrière politique et sa vision du monde ainsi que son engagement pour la démocratie et la culture.

Musée Clemenceau
8 rue Benjamin Franklin
75116 Paris
01 45 20 53 41
https://musee-clemenceau.fr

►Jusqu'au 8 mars 

EXPOSITION
"DENISE BELLON. UN REGARD VAGABOND"

Le mahJ présente la première rétrospective à Paris, rassemblant près de 300 photographies, objets, lettres et publications, consacrée à Denise Bellon (1902-1999). Photographe humaniste, pionnière du photojournalisme et compagne de route des surréalistes, son œuvre singulière et méconnue court des années 1930 aux années 1970.

 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
72018 Paris
01 42 58 72 89
www.hallesaintpierre.org

84 - Vaucluse

►Jusqu'en mars 

EXPOSITION
"Les VOYAGES"

L'exposition Centenaire Robert Laurent-Vibert : Les Voyages donne un aperçu de l'héritage de Laurent-Vibert à travers sa collection privée sur le thème du voyage. 

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

88 - Vosges

►Le 23 janvier 

CONFÉRENCE AVEC ALAIN DORESSOUNDIRAM  
PLANÉTARIUM D’ÉPINAL 

Le planétarium d’Épinal aura le plaisir d’accueillir Alain Doressoundiram, astrophysicien et spécialiste des petits corps du Système solaire. Alain Doressoudiram viendra partager au cours d'une conférence les coulisses de ses recherches sur la planète Mercure, ceux de la mission japonaise MMX qui explora les lunes de Mars, mais aussi celles des régions lointaines au-delà de Neptune. Une rencontre passionnante, gratuite, ouverte à toutes et à tous, sur réservation, de 20h00 à 22h00.

Planétarium Epinal
Rue Dom Pothier
88000 Epinal
03 29 35 08 02
www.planetarium-epinal.com

Lieux:
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