Traquer les fluctuations quantiques du vide pour explorer les limites de la physique

Absolument vide – c’est ainsi que la plupart d’entre nous envisagent le vide. Pourtant, en réalité, il est empli d’un scintillement énergétique : les fluctuations quantiques.

Les experts préparent actuellement une expérience laser destinée à vérifier ces fluctuations du vide d’une manière inédite, ce qui pourrait potentiellement fournir des indices sur de nouvelles lois de la physique. Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a développé une série de propositions conçues pour aider à mener l’expérience plus efficacement, augmentant ainsi les chances de succès. L’équipe présente ses conclusions dans Examen physique D.

Le monde de la physique sait depuis longtemps que le vide n’est pas entièrement vide mais qu’il est rempli de fluctuations du vide – un inquiétant scintillement quantique dans le temps et l’espace. Bien qu’elle ne puisse pas être captée directement, son influence peut être observée indirectement, par exemple à travers des modifications des champs électromagnétiques de minuscules particules.

Cependant, il n’a pas encore été possible de vérifier les fluctuations du vide sans la présence de particules. Si cela pouvait être réalisé, l’une des théories fondamentales de la physique, à savoir l’électrodynamique quantique (EDQ), serait prouvée dans un domaine jusqu’ici non testé. Si une telle expérience révélait des écarts par rapport à la théorie, elle suggérerait l’existence de nouvelles particules jusqu’alors inconnues.

L’expérience destinée à y parvenir est prévue dans le cadre de la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), un consortium de recherche dirigé par le HZDR à la station expérimentale HED du XFEL européen à Hambourg, le plus grand laser à rayons X au monde. .

Le principe sous-jacent est qu’un laser ultra-puissant déclenche des éclairs de lumière courts et intenses dans une chambre en acier inoxydable sous vide. L’objectif est de manipuler les fluctuations du vide afin qu’elles changent, comme par magie, la polarisation d’un flash à rayons X par rapport au XFEL européen, c’est-à-dire qu’elles fassent pivoter sa direction d’oscillation.

“Cela reviendrait à glisser une règle en plastique transparent entre deux filtres polarisants et à la plier d’avant en arrière”, explique le professeur Ralf Schützhold, théoricien du HZDR.

“Les filtres sont à l’origine configurés de manière à ce qu’aucune lumière ne les traverse. Plier la règle modifierait désormais la direction de l’oscillation de la lumière de telle manière que quelque chose pourrait être vu en conséquence.” Dans cette analogie, la règle correspond aux fluctuations du vide tandis que le flash laser ultra-puissant les plie.

Deux flashs au lieu d’un seul

Le concept original impliquait de projeter un seul flash laser optique dans la chambre et d’utiliser des techniques de mesure spécialisées pour enregistrer si cela modifiait la polarisation du flash à rayons X. Mais il y a un problème : « Le signal risque d’être extrêmement faible », explique Schützhold. “Il est possible que seulement un photon de rayons X sur un billion change sa polarisation.”

Mais cela pourrait être inférieur à la limite de mesure actuelle : l’événement pourrait simplement passer entre les mailles du filet sans être détecté. C’est pourquoi Schützhold et son équipe misent sur une variante : au lieu d’une seule, ils envisagent de projeter simultanément deux impulsions laser optiques dans la chambre sous vide.

Les deux éclairs y frapperont et entreront littéralement en collision. L’impulsion de rayons X du XFEL européen est réglée pour se déclencher précisément sur leur point de collision. Le facteur décisif : les éclairs laser en collision affectent l’impulsion des rayons X comme une sorte de cristal. Tout comme les rayons X sont diffractés, c’est-à-dire déviés, lorsqu’ils traversent un cristal naturel, l’impulsion de rayons X XFEL doit également être déviée par le « cristal de lumière » brièvement existant des deux éclairs laser en collision.

“Cela modifierait non seulement la polarisation de l’impulsion de rayons X, mais la dévierait également légèrement”, explique Ralf Schützhold. Cette combinaison pourrait augmenter les chances de pouvoir réellement mesurer l’effet, espèrent les chercheurs. L’équipe a calculé diverses options pour l’angle d’impact des deux flashs laser entrant en collision dans la chambre. Des expériences montreront quelle variante s’avère la plus appropriée.

Cibler des particules fantômes ultra-légères ?

Les perspectives pourraient même être encore améliorées si les deux éclairs laser projetés dans la chambre n’étaient pas de la même couleur mais de deux longueurs d’onde différentes. Cela permettrait également à l’énergie du flash des rayons X de changer légèrement, ce qui aiderait également à mesurer l’effet. “Mais cela représente un défi technique et ne pourra être mis en œuvre qu’à une date ultérieure”, explique Schützhold.

Le projet est actuellement en phase de planification à Hambourg avec l’équipe européenne XFEL de la station expérimentale HED, et les premiers essais devraient être lancés en 2024. En cas de succès, ils pourraient confirmer à nouveau QED.

Mais peut-être que les expériences révéleront des écarts par rapport à la théorie établie. Cela pourrait être dû à des particules jusqu’alors inconnues, par exemple des particules fantômes ultralégères appelées axions. “Et cela”, dit Schützhold, “ce serait une indication claire de lois de la nature supplémentaires, jusqu’alors inconnues.”