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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

Du 5 juin 2020 au 15 décembre

VISITE LUDIQUE
SALAGON, PARC & JARDINS

Une nouveauté pour les familles : un jeu de la cocotte pour explorer les jardins et découvrir les secrets du monument de Salagon de façon ludique !

Salagon
04300 Mane
04 92 75 70 50
www.musee-de-salagon.com


Du 5 juin au 15 décembre

COURSE D'ORIENTATION
MUSÉE DE PRÉHISTOIRE DES GORGES DU VERDON

Une course d’orientation familiale pour découvrir le village préhistorique. A l'aide du dépliant disponible gratuitement à l'accueil du Musée, participez à cette course d’orientation ludique et instructive qui vous conduira tout droit vers le village préhistorique reconstitué.

Musée de Préhistoire des Gorges du Verdon
Route de Montmeyan
04500 Quinson
04 92 74 09 59
www.museeprehistoire.com


Jusqu'en novembre

EXPOSITION
LE "RHINOCÉROS" DE XAVIER VEILHAN

Le musée accueille le "Rhinocéros" de Xavier Veilhan. Vous pourrez admirer cette œuvre spectaculaire appartenant au Centre Pompidou jusqu'en novembre 2020.

Musée de Préhistoire des Gorges du Verdon
Route de Montmeyan
04500 Quinson
04 92 74 09 59
www.museeprehistoire.com


11 - Aude

Le 8 août

"NUIT DES ÉTOILES"
AMPHORALIS

Avec l’observatoire astronomique de Narbonne (ANAP), profitez de la beauté du ciel estival pour observer les étoiles en compagnie d’astronomes expérimentés.
A partir de 18h30 : repas libre dans le parc. 19h15 : conférence « Vie et mort des étoiles » par Christine Mourlevat. 20h30 : conte « la tête dans les étoiles » par Bernadette Boucher 22h00-minuit (en continu) : observation du ciel sur écran géant. Gratuit. Inscription conseillée.

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


Le 14 août

"CINÉMA DE PLEIN AIR – LA NUIT DU PÉPLUM"

Projection du film Astérix et Obélix, Mission Cléopâtre (2001). Adultes et enfants à partir de 6 ans. Apportez vos nattes et transats pour vous installer confortablement !
Inscription conseillée.

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


13 - Bouches du Rhône

Du 7 au 15 janvier 2021

BALADES EN MER
CONGRÈS MONDIAL DE LA NATURE DE L’UICN

Lors de ce rendez vous, des balades en mer à bord de l'Hélios, la seule vedette à passagers hybride de la compagnie Marseillaise ICARD MARITME, seront organisées par : Le parc National de la Côte Bleue : 10 juin - Le conservatoire du littoral : 11 & 16 juin - Le parc National des Calanques : 15 & 20 juin.

1 quai Marcel Pagnol
13007 Marseille
04 91 330 329
www.iucncongress2020


21 - Côte d'Or

Du 3 juillet au 2 janvier 2022

EXPOSITION
"AU COEUR DES SAISONS"

Et si on prenait le temps de regarder passer les saisons, de vivre à leur rythme, de redécouvrir le plaisir d'observer la Nature et ses changements.
Cette nouvelle exposition, conçue et réalisée par le Jardin des sciences et Biodiversité, vous plonge « Au coeur des saisons », de façon ludique et accessible à tous les publics, en famille comme entre amis…

Jardin des sciences & biodiversité
Jardin de l’Arquebuse
14 rue Jehan de Marville & 1 avenue Albert 1er
21000 DIJON
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


34 - Hérault

Du 26 septembre au 28 février 2021

EXPOSITION
"DERNIERS IMPRESSIONNISTES"

Des paysages maritimes de la Bretagne aux plaisirs des plages de la Belle Époque, des paysages urbains ou champêtres aux portraits virtuoses, partez sur les pas des peintres intimistes ayant tous respiré le parfum de l’impressionnisme.
Riche de 70 peintures et d’une trentaine de dessins ou lithographies, l’exposition qui fait étape à Lodève est la première en France à rendre à ce courant l’importance qui lui revient.

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


45 - Loiret

Les 4 juillet et 22 août

VISITES
"ART DES JARDINS"

Art de vivre et Nouvelles Renaissances en Val-de-Loire.
L’Arboretum des Grandes Bruyères, « Jardin Remarquable » vous présentant pas moins de 5 types de jardins, vous invite à découvrir leur histoire et leurs spécificités.
Visite guidée à 15h. Inscription obligatoire, nombre de participants limité.

Arboretum des Grandes Bruyères
45450 Ingrannes
02 38 57 28 24
www.arboretumdesgrandesbruyeres.fr


50 - Manche

Du 8 février au 24 mai

EXPOSITION DE PHOTOGRAPHIES
"LA HAGUE : A L’EPREUVE DU TEMPS"

De vallées encaissées en roches mystérieuses, du littoral déchiqueté aux champs quadrillés de murets, le regard d’Antoine Soubigou s’est posé sur une Hague intemporelle et tourmentée.

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


Jusqu'au 15 novembre

EXPOSITION PHOTOGRAPHIQUE
"VIE SAUVAGE EN COTENTIN"

Une exposition pour les curieux de nature mais aussi pour les amateurs de belles images... L’association "Regards" basée à Cormelles-le-Royal dans le Calvados rassemble des photographes naturalistes, passionnés d’image et de nature.

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


59 - Nord

Jusqu'au 29 août 2021

EXPOSITION
"MON DODO"

A quoi sert de dormir ? Que se passe-t-il quand je dors ? Pourquoi je rêve ? Telles sont les questions que peuvent se poser les enfants lorsqu’ils vont se coucher pour la sieste ou pour la nuit.
Au travers des expériences et des approches diverses, l’exposition invite les 2-7 ans à découvrir leurs besoins en quantité et qualité de sommeil tout en abordant les notions de cycle et le rôle du sommeil dans leur développement.

Forum départemental des Sciences
1 place de l’Hôtel de ville
59650 Villeneuve d’Ascq
03 59 73 96 00
www.forumdepartementaldessciences.fr


67 - Bas-Rhin

A partir du 4 juillet

ESCAPE GAME LIGNE MAGINOT

Participez à une partie d'escape game et découvrez la Ligne Maginot comme si vous y étiez soldat!
Dans l'antre de la forteresse sont cachés les indices qui vous permettront de sauver l'équipage de l’asphyxie... Attention, vous n'avez que 40 minutes !
Equipes de 2 à 6 joueurs. A partir de 10 ans accompagnés de leurs parents.

Forteresse de la Ligne Maginot
Route D65 direction Pfaffenbronn
67510 Lembach
03 88 94 48 62 / 03 88 94 43 16
www.lignemaginot.fr


71 - Saône et Loire

Jusqu'au 31 août

EXPOSITION
"LE LUTIN DU HAUT FOLIN"

Bruno Alléos, Le Lutin du Haut Folin, a toujours travaillé le bois brut. A l’orée des bois du Morvan, il exprime sa créativité à l’aide d’un outil tout à fait étonnant : une tronçonneuse !

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


Jusqu'au 1er novembre

EXPOSITION
"BÊTISE ET BALIVERNES, IDÉES REÇUES SUR LA NATURE"

« les chauves-souris s'accrochent dans les cheveux » ; « les grenouilles sont vertes et les crapauds marron » ; « les moustiques préfèrent les peaux sucrées… », autant d’idées reçues et de fausses informations qui ont souvent la vie dure ! Une scénographie originale et les illustrations humoristiques de Roland Garrigue raviront aussi bien les petits que les grands !

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


85 - Vendée

Jusqu'au 30 août

CONCERTS

Tout l'été et Explora Parc vous propose au minimum un concert deux fois par semaine. Du Funk, du Jazz, de la Soul, des DJ...
Olicat's le samedi 18 juillet, Biba le mercredi 22 juillet, Puppa Dready le samedi 25 juillet et enfin Ted de Radiomeuh le mercredi 29 juillet.

Explora Parc
Rue de la Parée Jésus
85160 Saint-Jean-de-Monts
06 22 61 45 98
www.exploraparc.com


88 - Vosges

Du 6 juillet au 30 août

ANIMATIONS SCIENCES
PLANÉTARIUM EPINAL

Qui n'a jamais rêvé de faire décoller une fusée (en papier) ? Ce sera possible cet été ! L'atelier "réveillez vos sens", quant à lui, sera parfait pour les enfants à partir de 3 ans. Nous proposons également des soirées d'observation du ciel du soir, une initiation à la paléontologie, la découverte des petites bêtes qui peuplent la mare du Planétarium et bien d'autre choses encore !

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

Lieux:

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