L’effet Bright-Wheeler, proposé par des scientifiques dès 1934, décrit le processus par lequel la lumière est convertie en matière. Avec cette théorie, les physiciens Breit et Wheeler ont pu montrer que lorsque deux photons de haute énergie entrent en collision, un positron et un électron sont créés, c’est-à-dire que de la matière se forme. Maintenant, une expérience a prouvé la théorie pour la première fois.
Dès 1905, Einstein décrivait la loi naturelle d’égalité de masse et d’énergie (E=mc²) dans sa théorie de la relativité restreinte. Selon cela, l’énergie et la matière sont équivalentes et peuvent être converties l’une dans l’autre. Une direction de la matière et de l’énergie est omniprésente. Cela se produit en permanence dans le soleil, par exemple, lorsque les noyaux atomiques fusionnent, l’énergie est libérée sous forme de rayonnement.
“Breit et Wheeler ont clairement indiqué que cela est presque impossible à réaliser dans la pratique”, a expliqué Zhangbu Xu du Laboratoire national de Brookhaven. La conversion directe nécessiterait au moins un laser émettant des photons gamma dans des ions très concentrés, cependant, la recherche n’a pas encore été en mesure de développer un tel laser.
Alternativement, Breit et Wheeler ont émis l’hypothèse d’une approche dans laquelle les ions lourds accélérés agissent comme une source de lumière plutôt que comme un faisceau de photons. Parce que les noyaux fortement chargés positivement génèrent de puissants champs électromagnétiques autour d’eux sous une accélération extrêmement élevée, leurs propriétés physiques ressemblent à des photons dans certaines conditions.
Selon cette théorie, lorsqu’un ion se déplace dans un accélérateur de particules, il est entouré d’un nuage de particules légères. Lorsque deux de ces noyaux se rapprochent l’un de l’autre dans un accélérateur et se heurtent presque, leurs nuages de photons interagissent. Une partie de celui-ci est fortement accélérée et des particules lumineuses à haute énergie entrent en collision. Selon la théorie, des paires d’électrons et de positrons devraient apparaître dans le processus.
Une équipe dirigée par Zhangbu Xu du Brookhaven National Laboratory (BNL) a testé expérimentalement cette théorie presque centenaire à l’aide du détecteur STAR du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Selon leur article dans Physical Review Letters, ils ont accéléré les noyaux d’or à 99,99% de la vitesse de la lumière pour la collision.
Ils ont examiné les produits de désintégration libérés par des paires d’électrons et de positrons dont les distributions de masse, les énergies et les états quantiques étaient cohérents avec ceux de l’effet Breit-Wheeler. Au total, les physiciens ont pu trouver 6 085 paires électron-positon avec des caractéristiques correspondantes. Dans une expérience supplémentaire, les scientifiques ont également vérifié si les photons produits lors de la collision avaient les caractéristiques des particules de lumière normales, ce qui a également été confirmé.
“Nos résultats fournissent des preuves claires de la génération directe en une seule étape de paires matière-antimatière à partir de collisions lumineuses, comme Breit et Wheeler l’ont théoriquement décrit”, explique Daniel Brandenburg. Par conséquent, il a été démontré que la conversion directe de la lumière en matière est possible.
