El material de la aspiradora

La intensidad del láser hará que la materia brote del vacío. por Michel Alberganti

Palabras clave: energía, vacío, materia, creación, partículas, antimateria.

La biografía de la ecuación E = mc 2 está lejos de ser completa. La notable ilustración que ofrece el documental de ficción emitido por Arte el domingo 16 de octubre (Una biografía de la ecuación E = mc2, de Gary Johnstone) pronto podría experimentar un nuevo capítulo emocionante. En el Laboratorio de Óptica Aplicada (LOA), común a la Escuela Nacional de Técnicas Avanzadas (Ensta), la Escuela Politécnica y el CNRS, Palaiseau (Essonne), Gérard Mourou se acerca al momento en el que puede sacar a relucir materia del vacío ...

“El vacío es la madre de toda materia”, dice con cierto júbilo. En perfecto estado, “contiene una cantidad gigantesca de partículas por cm3… y la misma cantidad de antipartículas”. De donde surge una suma cero que conduce a esa aparente ausencia de materia que llamamos… el vacío. Lo que desafía la definición del diccionario para el que, desde el siglo XIV, este último es un "espacio que no está ocupado por la materia". Esto contaba sin antimateria y sin la famosa fórmula E = mc², que Albert Einstein dedujo de la relatividad especial hace cien años, en 1905.

¿Por qué invertir esta fórmula produciendo materia a partir del vacío? Para Gérard Mourou, las aplicaciones irán desde la creación de nueva microelectrónica relativista hasta el estudio del Big Bang y la posibilidad de simular agujeros negros. Lo que él denomina “luz extrema” permite el desarrollo de la terapia de protones, capaz de atacar tumores sin dañar las células circundantes, la “farmacología nuclear” y la posibilidad de controlar la radioactividad de un material con un simple botón. Por no hablar de la fabricación de aceleradores extremadamente compactos que pueden competir con las gigantescas instalaciones del CERN en Ginebra. Por tanto, el control de la luz está lejos de haber alcanzado sus límites. La LOA trabaja con el láser, uno de los resultados más espectaculares de los descubrimientos que le valieron a Albert Einstein el Premio Nobel en 1921.

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Gérard Mourou jugó un papel importante en el aumento del poder de este rayo de luz coherente, obtenido por primera vez en 1960. En 1985, desarrolló un método llamado amplificación de pulso chirrido (CPA) (Le Monde du 8 Junio ​​de 1990). “De la noche a la mañana hicimos una fuente que se colocó sobre una mesa y cuya intensidad igualaba a la de instalaciones del tamaño de un campo de fútbol”, explica Gérard Mourou.

Ola de surf

Durante veinte años, los físicos habían tropezado con la aparición de fenómenos no lineales a intensidades de alrededor de 1014 W / cm2 (W / cm2) que degradaron la onda y provocaron la destrucción de los sólidos en los que nacieron los láseres. Gérard Mourou utilizó fuentes que producían pulsos muy cortos (picosegundos, es decir, 10-12 segundos), una de las características de las cuales era contener una amplia gama de frecuencias. “Para solucionar el problema, antes de amplificar el impulso, lo estiramos ordenando los fotones”, dice el investigador que, para explicar el CPA, utiliza la analogía de un pelotón de ciclistas frente a un túnel. Para evitar un bloqueo durante un paso frontal, es necesario frenar a algunos corredores antes del obstáculo.

Gérard Mourou hace lo mismo con las frecuencias. Después de haberlos separado, impone diferentes caminos en cada color mediante una rejilla de difracción. Después de la amplificación de cada frecuencia, "basta" con realizar la operación inversa para encontrar un pulso con el mismo perfil pero mucho más intenso. Con el CPA, la intensidad volvió a subir hasta alcanzar… 1022 W / cm2 hoy, 1024 W / cm2 en 2006.

“Hasta cierto valor de la intensidad, el componente magnético de la onda incidente permanece insignificante en comparación con su componente eléctrico, explica Gérard Mourou. Pero a partir de 1018 W / cm2, ejerce presión sobre el electrón. Este último, hasta entonces sometido a un simple "oleaje", es arrastrado repentinamente por una ola rompiente que lo arrastra hasta alcanzar su propia velocidad, es decir, la de la luz. Entonces entramos en la perspectiva relativista no lineal. Los electrones desgarrados transforman sus átomos en iones que "intentan retener los electrones, lo que crea un campo eléctrico continuo, es decir electrostático, de considerable intensidad". El campo eléctrico alterno de la onda de luz incidente se transforma así en un campo eléctrico directo.

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Este fenómeno “extraordinario” genera un campo titánico de 2 teravoltios por metro (1012 V / m). “CERN en un metro…”, resume Gérard Mourou. A 1023 W / cm2, el campo electrostático alcanzará 0,6 petavoltios por metro (1015 V / m) ...
A modo de comparación, el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) acelera partículas de hasta 50 gigaelectronvoltios (GeV) en 3 km. "En teoría, podríamos hacer lo mismo a una distancia del orden del diámetro de un cabello", dice el investigador. En su época, Enrico Fermi (1901-1954) estimó que, para alcanzar el petavoltio, el acelerador tendría que dar la vuelta a la Tierra.

"Los electrones empujados por la luz terminan tirando de los iones detrás de ellos", continúa el Sr. Mourou. A partir de ahora, el barco está anclando. La luz inicial generó un haz de electrones e iones. La LOA ha logrado acelerar electrones a energías de 150 mega-electronvoltios (MeV) en distancias de unas pocas decenas de micrones. Tiene la intención de avanzar primero a GeV y "mucho más después".

Mini Big Bang

Paralelamente a este desarrollo que podría, a largo plazo, competir con los grandes aceleradores de partículas, Gérard Mourou dice que está muy cerca, de nuevo gracias a las enormes intensidades de luz obtenidas, de "romper el vacío", es decir, de revelar ". algo ”donde aparentemente no había nada.

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En realidad, no se trata de una operación mágica sino, "simplemente", de hacer aparecer lo invisible. El objetivo teórico es una intensidad de 1030 W / cm2. Para obtener este valor, los físicos consideran el vacío como un dieléctrico, es decir, un aislante. De la misma manera que una corriente excesivamente fuerte hace que un condensador "se rompa", es posible "romper el vacío".

¿Pero qué pasará entonces? ¿Qué partículas extrañas surgirán del vacío? Aquí de nuevo se aclara el misterio. Será un par electrón-positrón. Una partícula y su antipartícula, que son las más ligeras y por tanto las que, según la fórmula de Einstein, requerirán menos energía para aparecer. Y este mínimo también es bien conocido: 1,022 MeV.

Así, todo parece preparado para que la materia haga su primera aparición desde el vacío en un laboratorio. Este mini-Big Bang podría ocurrir incluso antes de los 1030 W / cm2. El Sr. Mourou piensa que mediante el uso de rayos X o gamma, sería posible reducir este umbral a alrededor de 1023 a 1024 W / cm2. Este es precisamente el objetivo de la LOA para los próximos años.

Artículo publicado en la edición del 19.10.05 de Le Monde

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