L'intensità del laser provocherà la fuoriuscita di materia dal vuoto di Michel Alberganti

Parole chiave: energia, vuoto, materia, creazione, particelle, antimateria

La biografia dell'equazione E = mc 2 è lungi dall'essere completa. La notevole illustrazione fornita dal documentario di finzione trasmesso da Arte domenica 16 ottobre (Una biografia dell'equazione E = mc2, di Gary Johnstone) potrebbe presto vivere un nuovo entusiasmante capitolo. Al Laboratorio di Ottica Applicata (LOA), comune alla Scuola Nazionale di Tecniche Avanzate (Ensta), alla Scuola Politecnica e al CNRS, Palaiseau (Essonne), Gérard Mourou si sta avvicinando al momento in cui sarà in grado di suscitare materia dal vuoto ...

"Il vuoto è la madre di tutta la materia", dice con un certo giubilo. Nello stato perfetto, "contiene una quantità gigantesca di particelle per cm3 ... e altrettante antiparticelle". Da qui una somma zero che porta a questa apparente assenza di materia che chiamiamo… il vuoto. Cosa sfida la definizione del dizionario per il quale, dal XIV secolo, quest'ultimo è uno "spazio non occupato dalla materia". Questo contava senza antimateria e senza la famosa formula E = mc², che Albert Einstein dedusse dalla relatività ristretta cento anni fa, nel 1905.

Perché invertire questa formula producendo materia dal vuoto? Per Gérard Mourou le applicazioni andranno dalla creazione di nuova microelettronica relativistica allo studio del Big Bang e alla possibilità di simulare i buchi neri. Quella che chiama “luce estrema” permette lo sviluppo della protonterapia, in grado di attaccare i tumori senza danneggiare le cellule circostanti, la “farmacologia nucleare” e la possibilità di controllare la radioattività di un materiale con un semplice pulsante. Per non parlare della produzione di acceleratori estremamente compatti in grado di competere con le gigantesche strutture del CERN di Ginevra. Il controllo della luce è quindi ben lungi dall'aver raggiunto i suoi limiti. Il LOA funziona con il laser, uno dei risultati più spettacolari delle scoperte che hanno fatto vincere ad Albert Einstein il Premio Nobel nel 1921.

Gérard Mourou ha svolto un ruolo importante nell'aumentare la potenza di questo raggio di luce coerente, ottenuto per la prima volta nel 1960. Nel 1985, ha sviluppato un metodo chiamato amplificazione dell'impulso cinguettato (CPA) (Le Monde du 8 Giugno 1990). "Durante la notte, abbiamo realizzato una sorgente che si trovava su un tavolo e la cui intensità era pari a quella di installazioni delle dimensioni di un campo da calcio", spiega Gérard Mourou.

Onda surf

Per vent'anni i fisici si erano imbattuti nella comparsa di fenomeni non lineari a intensità di circa 1014 W / cm2 (W / cm2) che degradavano l'onda e causavano la distruzione dei solidi in cui erano nati i laser. Gérard Mourou utilizzava sorgenti che producevano impulsi molto brevi (picosecondi, cioè 10-12 secondi), una delle caratteristiche delle quali era quella di contenere un'ampia gamma di frequenze. "Per risolvere il problema, prima di amplificare l'impulso, lo abbiamo allungato ordinando i fotoni", dice il ricercatore che, per spiegare il CPA, utilizza l'analogia di un gruppo di ciclisti che si affacciano su un tunnel. Per evitare un blocco durante un passaggio frontale, è necessario rallentare alcuni corridori prima dell'ostacolo.

Gérard Mourou fa lo stesso con le frequenze. Dopo averli separati, impone percorsi diversi su ogni colore utilizzando un reticolo di diffrazione. Dopo l'amplificazione di ciascuna frequenza, è "sufficiente" eseguire l'operazione inversa per trovare un impulso con lo stesso profilo ma molto più intenso. Con il CPA, l'intensità ha ripreso a salire fino a raggiungere… 1022 W / cm2 oggi, 1024 W / cm2 nel 2006.

“Fino a un certo valore dell'intensità, la componente magnetica dell'onda incidente rimane trascurabile rispetto alla sua componente elettrica, spiega Gérard Mourou. Ma da 1018 W / cm2 esercita una pressione sull'elettrone. Quest'ultimo, fino ad allora sottoposto ad un semplice "moto ondoso", viene improvvisamente portato via da un'onda frangente che lo trasporta fino a raggiungere la propria velocità, cioè quella della luce. Entriamo quindi nella visione non lineare relativistica. Gli elettroni lacerati trasformano i loro atomi in ioni che "cercano di trattenere gli elettroni, creando un campo elettrico continuo, cioè elettrostatico, di notevole intensità". Il campo elettrico alternato dell'onda luminosa incidente viene così trasformato in un campo elettrico diretto.

Questo fenomeno “straordinario” genera un campo titanico di 2 teravolt per metro (1012 V / m). "CERN su un metro ...", riassume Gérard Mourou. A 1023 W / cm2, il campo elettrostatico raggiungerà 0,6 petavolt per metro (1015 V / m) ...
Per fare un confronto, lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) accelera particelle fino a 50 gigaelettronvolt (GeV) su 3 km. "In teoria, potremmo fare lo stesso su una distanza dell'ordine del diametro di un capello", assicura il ricercatore. A suo tempo Enrico Fermi (1901-1954) stimava che per raggiungere il petavolt l'acceleratore avrebbe dovuto fare il giro della Terra.

"Gli elettroni spinti dalla luce finiscono per trascinare gli ioni dietro di loro", continua il signor Mourou. D'ora in poi, la barca sta tirando l'ancora. La luce iniziale ha generato un fascio di elettroni e ioni. Il LOA è riuscito ad accelerare gli elettroni a energie di 150 megaelettronvolt (MeV) su distanze di poche decine di micron. Ha intenzione di spingere prima a GeV, e "molto più in là".

Mini Big Bang

Parallelamente a questo sviluppo che potrebbe, a lungo termine, competere con i grandi acceleratori di particelle, Gérard Mourou dice di essere molto vicino, sempre grazie alle enormi intensità luminose ottenute, a "rompere il vuoto", cioè a rivelare " qualcosa ”dove apparentemente non c'era niente.

In realtà, non si tratta di un'operazione magica ma, "semplicemente", di rivelare ciò che era invisibile. L'obiettivo teorico è un'intensità di 1030 W / cm2. Per ottenere questo valore, i fisici considerano il vuoto come un dielettrico, cioè un isolante. Allo stesso modo in cui una corrente eccessivamente forte fa "scattare" un condensatore, è possibile "rompere il vuoto".

Ma cosa succederà allora? Quali strane particelle sgorgheranno dal vuoto? Anche qui il mistero è chiarito. Sarà una coppia elettrone-positrone. Una particella e la sua antiparticella, che sono le più leggere e quindi quelle che, secondo la formula di Einstein, richiederanno meno energia per apparire. E anche questo minimo è ben noto: 1,022 MeV.

Così, tutto sembra pronto perché la materia faccia la sua prima apparizione dal vuoto in un laboratorio. Questo mini-Big Bang potrebbe verificarsi anche prima di 1030 W / cm2. Il signor Mourou pensa che usando i raggi X o gamma, sarebbe possibile ridurre questa soglia da circa 1023 a 1024 W / cm2. Questo è precisamente l'obiettivo della LOA per i prossimi anni.

Articolo pubblicato nell'edizione 19.10.05 di Le Monde