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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 . . .

02 - Aisne

Le 27 septembre

VISITE GUIDEE NOCTURNE

A la tombée de la nuit, l'homme mystère vous conte l'histoire du fort à la lumière de la lanterne.

Fort de Condé
20 ter rue du Bois Morin
02880 Chivres-Val
03 23 54 40 00
www.fortdeconde.com


03 - Allier

Jusqu'au 30 septembre

EXPOSITION
"HALTE AUX ENVAHISSEURS"

Découvrez les espèces exotiques envahissantes installées sur le trrritoire de Montluçon Communauté.
Des conseils sont également donnés pour les identifier et éviter leur propagation.

Maison de la Combraille
Place Pierre Bitard
03420 Marcillat-en-Combraille
04 70 51 10 23
maisondelacombraille.over-blog.com


07 - Ardèche

Jusqu'au 11 octobre

CANOE KAYAK EN ARDECHE

Canoë Kayak 07 propose cette saison des journées découvertes permettant de découvrir cette activité gratuitement.
Les 17 et 24 mai, 7, 14, 21, 28 juin, 5 juillet, 30 aout, 6, 13, 20, 27 septembre et 4, 11 octobre.
Mini-descente du pont d’Arc, 8 km, le matin à 9h à AM à 15h, sur réservation au 04 75 37 17 79 ou par email : charmasson.yves@wanadoo.fr

Canoë Kayak 07
Quartier de Châmes
07150 Vallon Pont d’Arc
04 75 88 03 06
www.canoekayak07.com


09 - Ariège

Le 23 octobre

ANIMATION
"VIENS GOÛTER À LA MAISON" et "PERLES PRÉHISTORIQUES"

De 14h00 à 17h30, à l’aide de silex, d’os, de grès ou encore de cuir, vous découvrirez comment réaliser des éléments de parures en stéatite. Ainsi embellis, vous pourrez déguster un délicieux goûter maison.
Sur inscription. Adulte 8,50 €, enfant 7 €.

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


Le 19 octobre

INITIATION AU TRAVAIL MANUEL DU BOIS

De 14h00 à 17h30, venez découvrir le travail manuel du bois tout au long de cette après-midi. Vous fabriquerez une spatule grâce à la plane et au banc à planer (sorte de banc-étau) et peut être d’autres objets en bois du quotidien.
Sur inscription. Adulte 18 €, enfant 15 €.

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


18 - Cher

Le 28 septembre

SPECTACLE MUSEUM
"CABINET DE CURIOSITÉS ZOOPOÉTIQUES"

Un spectacle en hommage à la fantaisie des hommes qui produit depuis des siècles des légendes autour des animaux imaginaires !
Par la Cie du Petit Théâtre Dakoté, avec les CDC Pays de Nérondes et des Trois Provinces À partir de 16h30 visite libre de La Tuilerie 18h début du spectacle - 6 € (entrée + spectacle).

La Tuilerie
27 rue du lieutenant Petit
18150 La Guerche-sur-l’Aubois
02 48 74 23 93
www.ciap-latuilerie.fr


Jusqu'au 2 novembre

EXPOSITION
"PORTRAITS DE JARDINS"

Du jardin médiéval, vivrier et médicinal, jusqu’aux jardins ouvriers nourriciers en passant par le jardin ornemental et le jardin sauvage réserve de biodiversité, l’exposition vous propose de parcourir une histoire des jardins intimement liée à celle des Hommes.

La Tuilerie
27 rue du lieutenant Petit
18150 La Guerche-sur-l’Aubois
02 48 74 23 93
www.ciap-latuilerie.fr


21 - Côte d'Or

► Jusqu'au 17 novembre

EXPOSITION
"NATURE INCOGNITO" : la face cachée des villes

Vous me reconnaissez ? Je fais partie des millions d’espèces sauvages, animales ou végétales qui vivent dans les villes, tout près de chez nous et qui, pour la plupart, demeurent « Incognito » !
La nouvelle exposition du Jardin des sciences & Biodiversité vous invite à voir la ville autrement

Le Jardin des Sciences
Parc de l’Arquebuse
1 avenue Albert 1er & 14 rue Jehan de Marville
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


22 - Côtes d'armor

Le 15 septembre

SEANCES AU PLANETARIUM

A l'occasion de l'équinoxe, le Planétarium de Bretagne vous invite pour deux séances au tarif spécial de 4 €.
A 15h00 : "Les astres et les Marées" - A 16h00 : "Le phénomène des saisons".

Planétarium de Bretagne
Parc du Radôme
22560 Pleumeur-Bodou
02 96 15 80 30
www.planetarium-bretagne.fr


► Le 22 septembre

JOURNEE DU PATRIMOINE
PLANETARIUM DE BRETAGNE

A 15h, séance "Voyage au coeur du Moyen-âge" : venez découvrir un pan méconnu de l'histoire bretonne au Planétarium de Bretagne.
A 16h, séance "Hubble" : venez découvrir les magnifiques images prise par le télescope spatial Hubble.

Planétarium de Bretagne
Parc du Radôme
22560 Pleumeur-Bodou
02 96 15 80 30
www.planetarium-bretagne.fr


25 - Doubs

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
« LE MONDE DE JULES VERNE »

L’exposition présente le créateur et poète, évoque ses voyages extraordinaires d’un nouveau genre littéraire puis explore sa quête de l’ailleurs.
Gravures, affiches de cinéma, maquettes, dessins de reconstitutions des machines de Jules Verne, carte géante représentant les itinéraires des personnages…rythment le parcours de l’exposition.

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


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


26 - Drôme

Jusqu'au 24 septembre

EXPOSITION
Tableaux de l'artiste Brigitte Nêmes

Jardin Zen d’Erik Borja
26600 Beaumont-Monteux
04 75 07 32 27
www.erikborja.fr


34 - Hérault

Jusqu'au 23 février 2020

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

Les 21 et 22 septembre

JOURNÉES EUROPÉENNES DU PATRIMOINE
MUSÉE DE LA LUNETTE

Tout le week-end sur le parvis du Musée : création d'une oeuvre illusion d'optique éphémère par l'artiste Streepainter 3D JM Navallo.

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


48 - Lozère

Le 24 septembre

VANNERIE

Agnès apportera ses connaissances et son savoir-faire. Les plus courageux pourront s'essayer à la tâche. De 14h30 à 17h.

La Ferme Caussenarde d'Autrefois
Hyelzas, 48150 Hures-La Parade
04 66 45 65 25
www.ferme-caussenarde.com


Jusqu'au 30 octobre

EXPOSITION PHOTOS

Jérôme Lauze propose de découvrir "La Lozère En Toutes Saisons".

La Ferme Caussenarde d'Autrefois
Hyelzas, 48150 Hures-La Parade
04 66 45 65 25
www.ferme-caussenarde.com


50 - Manche

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
"DÉTOURS EN COTENTIN"

Il y a sept ans, la famille du photographe Gustave Bazire (1893-1941) découvre 1 400 plaques de verre. Aujourd'hui, le Cotentin expose les vues de l'artiste.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


68 - Haut-Rhin

 ► Jusqu'au 29 septembre

EXPOSITION
"PENNY TOYS, JOUETS CENTENAIRES À QUAT’SOUS"

Une rétrospective inédite à Soultz sur des jouets peu connus du grand public, les penny toys. Ils étaient vendus par des colporteurs dans les foires et marchés du 19e siècle aux années 1950. Bon marché, ces jouets étaient accessibles au plus grand nombre et cachaient souvent, en prime, une friandise, un bonbon…

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


 ► Les 21 et 22 septembre

JOURNÉES EUROPÉENNES DU PATRIMOINE
MUSÉES DE SOULTZ

Nef des Jouets : Exposition "Penny Toys, jouets centenaires à quat’sous". Des jeux géants (morpion, puissance 4, cartes, petits chevaux…) seront mis en place dans les étages.
Bucheneck : Exposition "Les couleurs de l’Alsace" - acryliques de Erika Rosson.
Dans les deux musées : dimanche durant toute l’après-midi, récitals et pièces pianistiques, par Sarah Frick et Sandrine Weidmann et Structures gonflables dans les jardins des musées.

La Nef des Jouets
12 rue Jean Jaurès - 68360 Soulz
03 89 74 30 92
Musée du Bucheneck
Rue Kageneck- 68360 Soulz
03 89 76 02 22


71 - Saône et Loire

Jusqu'au 3 novembre

EXPOSITION
"VU, PAS VU, PAS PRIS …"
Mimétisme et camouflage dans la nature

Manger ou être mangé... la lutte pour la survie dans le monde animal passe par différents stratagèmes. Illustrations, animaux vivants ou naturalisés, tout est mis en œuvre dans l’exposition pour que mimétisme, camouflage, et dissimulation n’aient plus de secret pour vous.

Centre Eden
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


78 - Yvelines

Octobre

FÊTE DU GOÛT

Textures, saveurs, odeurs, goûts et parfum seront à l'honneur. Eveillez vos sens en dégustant et en analysant les yaourts de la ferme de Grignon ! Réservée aux 7-12 ans, réservation obligatoire.

Ferme de Grignon - AgroParisTech
Route de la Ferme
01 30 54 37 34
www.fermedegrignon.fr


87 - Haute-Vienne

Les 21 et 22 septembre

JOURNÉES DU PATRIMOINE
LE JARDIN DE LILIANE
Jardin remarquable

Visites guidée à 14h30. Salon de thé, vente de plantes... 5 € - Gratuit jusqu'à 16 ans.

Le Jardin de Liliane
Chateau des Bermondet
87310 Saint-Laurent-sur-Gorre
06 43 89 33 59
http://www.jardindeliliane.com

Lieux:

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