A questão do vazio

A intensidade do laser fará a matéria emergir do vácuo de Michel Alberganti

Palavras-chave: energia, vácuo, matéria, criação, partículas, antimatéria

A biografia da equação E = mc 2 está longe de ser completa. A notável ilustração dada pela ficção documental transmitida pela Arte no domingo, 16 de outubro (Uma biografia da equação E = mc2, de Gary Johnstone) poderá em breve ver um novo capítulo emocionante. No laboratório de óptica aplicada (LOA), comum à Escola Nacional de Técnicas Avançadas (Ensta), à Escola Politécnica e ao CNRS, de Palaiseau (Essonne), Gérard Mourou está se aproximando do momento em que poderá fazer surgir matéria do vácuo ...

"O vazio é a mãe de toda a matéria", diz ele com certo júbilo. Em seu estado perfeito, "contém uma quantidade gigantesca de partículas por cm3 ... e o mesmo número de antipartículas". De onde uma soma zero que leva a essa aparente ausência de matéria a que chamamos ... o vazio. O que contestar a definição do dicionário para a qual, desde o século XIV, este último é um "espaço que não é ocupado pela matéria". Estava contando sem antimatéria e sem a famosa fórmula E = mc², que Albert Einstein deduziu da relatividade especial cem anos atrás, em 1905.

Por que reverter essa fórmula produzindo matéria a partir do vácuo? Para Gérard Mourou, as aplicações vão desde a criação de uma nova microeletrônica relativística até o estudo do Big Bang e a possibilidade de simular buracos negros. O que ele chama de "luz extrema" permite o desenvolvimento de terapia com prótons, capaz de atacar tumores sem danificar as células circundantes, "farmacologia nuclear" e a possibilidade de controlar a radioatividade de um material com um simples botão. Sem mencionar a fabricação de aceleradores extremamente compactos que podem competir com as gigantescas instalações do CERN em Genebra. O domínio da luz está, portanto, longe de ter atingido seus limites. A LOA trabalha com o laser, um dos resultados mais espetaculares das descobertas que ganharam o Prêmio Nobel Albert d'Einstein em 1921.

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Gérard Mourou desempenhou um papel importante no aumento da potência desse raio de luz coerente obtido pela primeira vez em 1960. Em 1985, ele aperfeiçoou um método chamado amplificação de pulso chilreado (CPA) (Le Monde du 8 Junho de 1990). "Da noite para o dia, criamos uma fonte que estava sobre uma mesa e cuja intensidade era igual à das instalações do tamanho de um campo de futebol", explica Gérard Mourou.

Onda surf

Os físicos tropeçam há vinte anos com o aparecimento de fenômenos não-lineares em intensidades de cerca de 1014 W / cm2 (W / cm2) que degradam a onda e causam a destruição dos sólidos em que os lasers nasceram. Gérard Mourou usou fontes que produzem pulsos muito curtos (picossegundo, ou seja, 10 a 12 segundos), uma das características que deveria conter uma ampla gama de frequências. "Para resolver o problema, antes de ampliar o momento, esticá-lo ordenando os fótons", diz o pesquisador que, para explicar a CPA, usa a analogia de um bando de ciclistas diante de um túnel. Para evitar bloqueios durante uma travessia da frente, é preciso diminuir a velocidade de alguns passageiros antes do obstáculo.

Gérard Mourou faz o mesmo com as frequências. Depois de separá-los, impõe rotas diferentes em cada cor usando uma grade de difração. Após a amplificação de cada frequência, é "suficiente" realizar a operação oposta para encontrar um impulso com o mesmo perfil, mas muito mais intenso. Com o CPA, a intensidade começou a subir novamente para atingir 1022 W / cm2 hoje, 1024 W / cm2 em 2006.

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“Até um certo valor da intensidade, o componente magnético da onda incidente permanece desprezível em comparação com o componente elétrico, explica Gérard Mourou. Mas a partir de 1018 W / cm2, ele exerce pressão sobre o elétron. Este último, até então submetido a um simples "swell", de repente se vê arrastado por uma onda que o leva até atingir sua própria velocidade, ou seja, a da luz. Entramos então na óptica não linear relativística. Os elétrons arrancados transformam seus átomos em íons que "tentam reter os elétrons, o que cria um campo elétrico contínuo, ou seja, eletrostático, de intensidade considerável". O campo elétrico alternado da onda de luz incidente é assim transformado em um campo elétrico contínuo.

Esse fenômeno “extraordinário” gera um campo titânico de 2 teravolts por metro (1012 V / m). "CERN em um medidor ...", resume Gérard Mourou. A 1023 W / cm2, o campo eletrostático alcançará 0,6 petavolt por metro (1015 V / m)…
Para comparação, o Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) acelera partículas de até 50 gigaeletronvolts (GeV) em 3 km. "Em teoria, podemos fazer o mesmo à distância, na ordem do diâmetro de um fio de cabelo", diz o pesquisador. Em seu tempo, Enrico Fermi (1901-1954) estimou que, para alcançar o petavolt, o acelerador deveria dar a volta na Terra.

"Os elétrons empurrados pela luz acabam puxando os íons para trás", continua Mourou. A partir de agora, o barco carrega sua âncora. A luz inicial gerou um feixe de elétrons e íons. A LOA conseguiu acelerar elétrons para energias de 150 mega-elétron-volts (MeV) em distâncias de algumas dezenas de mícrons. Ele planeja avançar para a GeV primeiro e "muito mais adiante".

Mini big bang

Ao mesmo tempo em que esse desenvolvimento que poderia, a longo prazo, competir com os grandes aceleradores de partículas, Gérard Mourou diz que está muito próximo, ainda graças às enormes intensidades de luz obtidas, para "romper o vácuo", ou seja, aparecer " algo "onde aparentemente não havia nada.

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Na realidade, não é uma operação mágica, mas "simplesmente", revelar o que era invisível. O objetivo teórico é uma intensidade de 1030 W / cm2. Para obter esse valor, os físicos consideram o vácuo um dielétrico, ou seja, um isolador. Da mesma maneira que uma intensidade muito alta faz com que um capacitor "bata", é possível "bata no vácuo".

Mas o que vai acontecer então? Que partículas estranhas sairão do vazio? Novamente, o mistério está fora. Será um casal elétron-pósitron. Uma partícula e sua antipartícula, que são as mais leves e, portanto, aquelas que, de acordo com a fórmula de Einstein, exigirão menos energia para aparecer. E esse mínimo também é perfeitamente conhecido: 1,022 MeV.

Assim, tudo parece pronto para o material aparecer pela primeira vez a partir de um vácuo em laboratório. Esse mini-Big Bang poderia até ocorrer antes de 1030 W / cm2. Mourou acredita que, usando raios X ou gama, seria possível reduzir esse limite para cerca de 1023 a 1024 W / cm2. Este é precisamente o objetivo da LOA para os próximos anos

Artigo publicado na edição de 19.10.05 do Le Monde

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