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Des accélérateurs de particules aux voyages interstellaires : comment les scientifiques explorent-ils la structure cachée des photons ?
Parmi les nombreuses branches de la physique, la physique à deux photons (ou physique gamma-gamma) est un domaine de recherche relativement nouveau. Il se concentre sur l’interaction entre deux photons, un processus crucial pour comprendre la nature de la lumière et qui a des implications importantes pour expliquer les phénomènes physiques fondamentaux dans l’univers.
Normalement, les faisceaux lumineux se traversent sans être perturbés dans le vide, mais dans les interactions entre faisceaux lumineux de haute intensité, les choses sont complètement différentes.
Dans un vide pur, une faible diffusion de la lumière par la lumière existe, ce qui permet aux scientifiques d'étudier les propriétés des photons dans certaines conditions. Cette interaction peut également conduire à la création de matière lorsque l’énergie de la masse centrale augmente. Ces découvertes ont non seulement attiré une attention considérable dans le domaine de la physique des particules, mais ont également favorisé une compréhension plus approfondie de la cosmologie.
Les rayons gamma en astronomie
En cosmologie, les interactions photon-photon imposent des contraintes directes sur le spectre des rayons gamma observé. Lorsque les rayons gamma traversent l'Univers, leurs énergies ne dépassent jamais environ 20 GeV, ce qui correspond à des longueurs d'onde supérieures à environ 6,2 × 10-11 m. À des distances plus longues, cette limite augmente même jusqu'à environ 20 TeV, ce qui signifie que dans l'environnement à longue distance de l'univers, les rayons gamma sont diffusés et atténués dans une large mesure.
Lorsque les photons voyagent à travers l’univers, ils interagissent avec les photons de faible énergie provenant de la lumière de fond cosmique, ce qui réduit leur énergie et peut former des paires particule-antiparticule.
Grâce à ces interactions, la visibilité de l’Univers aux photons de très haute énergie est considérablement réduite, ce qui fait que l’Univers apparaît « opaque » à plus grande échelle. De tels phénomènes ont conduit les scientifiques à réfléchir en profondeur à la relation entre les photons et la structure cosmique, et des questions plus profondes ont fait surface : comment les photons dans des galaxies et des supernovas aussi éloignées affectent-ils notre compréhension de l’évolution de l’univers ?
L'expérience et ses méthodes
La recherche en physique à deux photons s’appuie souvent sur des accélérateurs de particules à haute énergie. Dans ces expériences, ce ne sont pas des photons qui sont accélérés, mais des particules chargées. Des installations telles que le Grand collisionneur électron-positon (LEP) et le Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont joué un rôle important dans l’étude de ces interactions.
Lors des collisions à haute énergie, telles que les collisions ultracirculaires d'ions lourds (UPC), les scientifiques sont en mesure d'observer de multiples phénomènes associés aux rayons gamma, notamment la diffusion lumière-lumière.
Les électrons et les positons présents dans ces collisions peuvent être détectés, ce que l'on appelle « l'étiquetage ». D’autres particules créées dans l’expérience sont suivies à l’aide de grands détecteurs pour reconstituer la physique de l’interaction. Grâce à ces expériences, les scientifiques peuvent non seulement observer les interactions des photons, mais également explorer davantage la structure interne des photons.
Progrès de la recherche sur les structures photoniques
Selon la théorie de l'électrodynamique quantique, les photons ne peuvent pas interagir directement les uns avec les autres, mais plutôt via des processus d'ordre supérieur. Par exemple, un photon peut fluctuer en une paire de particules chargées virtuelles dans un certain laps de temps grâce au principe d’incertitude. Ce processus devient la clé pour comprendre la structure des photons.
Les interactions des photons sont divisées en trois catégories : l'interaction directe, la résolution singulet et la résolution doublet, qui révèlent le mécanisme interne des photons et leur relation avec d'autres particules.
Lors de l'interaction directe, le photon et les quarks à l'intérieur du photon cible interagissent directement les uns avec les autres. Dans le processus de double solution, les deux photons ont formé des muons vecteurs, présentant des caractéristiques d'interaction plus complexes. Ces résultats ont des implications profondes pour l’exploration des limites du modèle standard et pour de nouveaux phénomènes en physique des rayons gamma.
L'exploration du futur et son importance
Avec le développement de la technologie, les scientifiques sont capables d’explorer plus en profondeur la structure cachée des photons et de repenser son rôle et sa signification dans l’univers. À l’avenir, ces études pourraient révéler de nouveaux phénomènes physiques fondamentaux, notamment davantage d’informations sur la matière noire et l’évolution de l’univers.
Dans l’ensemble, la physique à deux photons non seulement enrichit notre compréhension du monde des particules, mais remet également en question notre compréhension de l’univers. Cependant, dans des recherches aussi approfondies, nous pouvons encore être confrontés à des questions encore non résolues : les informations transportées par les photons lors des voyages interstellaires peuvent-elles révéler les mystères profonds de l’univers ?
