Das Material des Vakuum

Durch die Intensität des Lasers springt Materie aus dem Hohlraum von Michel Alberganti

Schlüsselwörter: Energie, Vakuum, Materie, Schöpfung, Teilchen, Antimaterie

Die Biographie der Gleichung E = mc 2 ist bei weitem nicht vollständig. Die bemerkenswerte Illustration des fiktiven Dokumentarfilms von Arte am Sonntag, den 16. Oktober (Eine Biographie der E = mc2-Gleichung von Gary Johnstone) könnte bald ein neues aufregendes Kapitel erfahren. Im Applied Optics Laboratory (LOA), das der National School of Advanced Techniques (Ensta), der Polytechnic School und dem CNRS in Palaiseau (Essonne) gemeinsam ist, nähert sich Gérard Mourou dem Moment, in dem er herauskommen kann Materie aus einem Vakuum ...

"Leere ist die Mutter aller Materie", sagt er mit einem gewissen Jubel. Im perfekten Zustand „enthält es eine gigantische Menge an Partikeln pro cm3… und ebenso viele Antiteilchen“. Von wo aus eine Nullsumme, die zu dieser offensichtlichen Abwesenheit von Materie führt, die wir nennen ... das Vakuum. Was die Definition des Wörterbuchs in Frage stellt, für das letzteres seit dem 1905. Jahrhundert ein "Raum ist, der nicht von Materie besetzt ist". Dies zählte ohne Antimaterie und ohne die berühmte Formel E = mc², die Albert Einstein vor hundert Jahren XNUMX aus der speziellen Relativitätstheorie ableitete.

Warum diese Formel umkehren, indem Materie aus einem Vakuum erzeugt wird? Für Gérard Mourou reichen die Anwendungen von der Schaffung neuer relativistischer Mikroelektronik über die Untersuchung des Urknalls bis hin zur Möglichkeit, Schwarze Löcher zu simulieren. Was er "extremes Licht" nennt, ermöglicht die Entwicklung einer Protonentherapie, die Tumore angreifen kann, ohne die umgebenden Zellen zu beschädigen, "Kernpharmakologie" und die Möglichkeit, die Radioaktivität eines Materials mit einem einfachen Knopf zu steuern. Ganz zu schweigen von der Herstellung extrem kompakter Beschleuniger, die mit den gigantischen Anlagen am CERN in Genf mithalten können. Die Steuerung des Lichts ist daher weit davon entfernt, an ihre Grenzen gestoßen zu sein. Die LOA arbeitet mit dem Laser, eines der spektakulärsten Ergebnisse der Entdeckungen, die Albert Einstein 1921 den Nobelpreis einbrachten.

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Gérard Mourou spielte eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Leistung dieses kohärenten Lichtstrahls, der 1960 zum ersten Mal erhalten wurde. 1985 entwickelte er eine Methode namens Chirped Pulse Amplification (CPA) (Le Monde du 8) Juni 1990). "Über Nacht haben wir eine Quelle geschaffen, die auf einem Tisch stand und deren Intensität der von Installationen von der Größe eines Fußballfeldes entsprach", erklärt Gérard Mourou.

Surf Wave

Zwanzig Jahre lang waren Physiker über das Auftreten nichtlinearer Phänomene bei Intensitäten von etwa 1014 W / cm2 (W / cm2) gestolpert, die die Welle verschlechterten und die Zerstörung der Feststoffe verursachten, in denen die Laser geboren wurden. Gérard Mourou verwendete Quellen, die sehr kurze Impulse (Pikosekunden, dh 10-12 Sekunden) erzeugten, deren Eigenschaften darin bestanden, einen weiten Frequenzbereich zu enthalten. „Um das Problem zu lösen, haben wir es vor der Verstärkung des Pulses gedehnt, indem wir die Photonen geordnet haben“, sagt der Forscher, der zur Erklärung des CPA die Analogie eines Pelotons von Radfahrern verwendet, die vor einem Tunnel stehen. Um eine Blockierung während eines Frontaldurchgangs zu vermeiden, müssen einige Läufer vor dem Hindernis verlangsamt werden.

Gérard Mourou macht dasselbe mit Frequenzen. Nachdem er sie getrennt hat, legt er jeder Farbe mithilfe eines Beugungsgitters unterschiedliche Pfade auf. Nach der Verstärkung jeder Frequenz "reicht" es aus, die Rückwärtsoperation durchzuführen, um einen Impuls mit dem gleichen Profil, aber viel intensiver zu finden. Mit dem CPA stieg die Intensität wieder an und erreichte heute… 1022 W / cm2, 1024 2 W / cm2006.

„Bis zu einem bestimmten Wert der Intensität bleibt die magnetische Komponente der einfallenden Welle im Vergleich zu ihrer elektrischen Komponente vernachlässigbar“, erklärt Gérard Mourou. Ab 1018 W / cm2 übt es jedoch Druck auf das Elektron aus. Letzterer wird bis dahin einer einfachen "Schwellung" ausgesetzt und plötzlich von einer brechenden Welle weggetragen, die ihn mit sich führt, bis er seine eigene Geschwindigkeit erreicht, dh die des Lichts. Wir treten dann in die relativistische nichtlineare Sichtweise ein. Die zerrissenen Elektronen wandeln ihre Atome in Ionen um, die "versuchen, die Elektronen zu halten, wodurch ein kontinuierliches elektrisches Feld, dh elektrostatisch, von beträchtlicher Intensität erzeugt wird". Das elektrische Wechselfeld der einfallenden Lichtwelle wird somit in ein direktes elektrisches Feld umgewandelt.

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Dieses „außergewöhnliche“ Phänomen erzeugt ein Titanfeld von 2 Teravolt pro Meter (1012 V / m). "CERN auf einem Meter ...", fasst Gérard Mourou zusammen. Bei 1023 W / cm2 erreicht das elektrostatische Feld 0,6 Petavolt pro Meter (1015 V / m)…
Zum Vergleich: Das Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) beschleunigt Partikel über 50 km auf bis zu 3 Giga-Elektronenvolt (GeV). "Theoretisch könnten wir dasselbe über eine Distanz in der Größenordnung des Haardurchmessers tun", versichert der Forscher. Zu seiner Zeit schätzte Enrico Fermi (1901-1954), dass der Beschleuniger um die Erde fahren müsste, um den Petavolt zu erreichen.

"Die vom Licht geschobenen Elektronen ziehen die Ionen hinter sich her", fährt Herr Mourou fort. Von nun an zieht das Boot seinen Anker. Das anfängliche Licht erzeugte einen Elektronen- und Ionenstrahl. Der LOA ist es gelungen, Elektronen über Entfernungen von einigen zehn Mikrometern auf Energien von 150 Mega-Elektronenvolt (MeV) zu beschleunigen. Er beabsichtigt, zuerst zu GeV und "dann viel weiter" zu drängen.

Mini Big Bang

Gleichzeitig mit dieser Entwicklung, die langfristig mit großen Teilchenbeschleunigern konkurrieren könnte, sagt Gérard Mourou, er sei dank der enormen Lichtintensitäten sehr nahe daran, "die Leere zu knacken", das heißt zu enthüllen " etwas “, wo es anscheinend nichts gab.

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In Wirklichkeit handelt es sich nicht um eine magische Operation, sondern "einfach" darum, das Unsichtbare zu enthüllen. Das theoretische Ziel ist eine Intensität von 1030 W / cm2. Um diesen Wert zu erhalten, betrachten Physiker Vakuum als Dielektrikum, dh als Isolator. Genauso wie ein übermäßig starker Strom einen Kondensator "reißen" lässt, ist es möglich, "das Vakuum zu knacken".

Aber was wird dann passieren? Welche seltsamen Partikel werden aus der Leere entspringen? Auch hier ist das Rätsel gelöst. Es wird ein Elektron-Positron-Paar sein. Ein Teilchen und sein Antiteilchen, die am leichtesten sind und daher diejenigen, die nach Einsteins Formel die geringste Energie benötigen, um zu erscheinen. Und dieses Minimum ist auch bekannt: 1,022 MeV.

Somit scheint alles bereit zu sein, damit die Materie aus einem Vakuum in einem Labor zum ersten Mal auftaucht. Dieser Mini-Urknall könnte sogar vor 1030 W / cm2 auftreten. Herr Mourou glaubt, dass es durch Verwendung von Röntgen- oder Gammastrahlen möglich wäre, diesen Schwellenwert auf etwa 1023 bis 1024 W / cm2 zu senken. Dies ist genau das Ziel der LOA für die kommenden Jahre.

Artikel veröffentlicht in der 19.10.05 Ausgabe von Le Monde

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