A intensidade do laser fará com que matéria saia do vazio de Michel Alberganti

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

A biografia da equação E = mc 2 está longe de estar completa. A notável ilustração dada pelo documentário fictício transmitido pela Arte no domingo, 16 de outubro (Uma biografia da equação E = mc2, de Gary Johnstone) poderá em breve experimentar um novo capítulo emocionante. No Laboratório de Óptica Aplicada (LOA), comum à Escola Nacional de Técnicas Avançadas (Ensta), à Escola Politécnica e ao CNRS, Palaiseau (Essonne), Gérard Mourou se aproxima do momento em que poderá trazer à tona matéria do vácuo ...

“O vazio é a mãe de toda a matéria”, diz ele com certo júbilo. Em perfeito estado, “contém uma quantidade gigantesca de partículas por cm3… e a mesma quantidade de antipartículas”. De onde uma soma zero que leva a essa aparente ausência de matéria que chamamos ... o vácuo. O que desafia a definição do dicionário para o qual, desde o século XIV, este último é um “espaço que não é ocupado pela matéria”. Isso 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 da terapia de 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 falar na fabricação de aceleradores extremamente compactos que podem competir com as gigantescas instalações do CERN em Genebra. O controle da luz está, portanto, longe de ter atingido seus limites. A LOA trabalha com o laser, um dos resultados mais espetaculares das descobertas que deram a Albert Einstein o Prêmio Nobel em 1921.

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

Onda surf

Durante vinte anos, os físicos tropeçaram no aparecimento de fenômenos não lineares em intensidades em torno de 1014 W / cm2 (W / cm2) que degradaram a onda e causaram a destruição dos sólidos em que nasceram os lasers. Gérard Mourou usava fontes que produziam pulsos muito curtos (picossegundos, ou seja, 10-12 segundos), uma das características dos quais era conter uma ampla faixa de frequências. “Para resolver o problema, antes de amplificar o pulso, esticamos ordenando os fótons”, diz a pesquisadora que, para explicar o CPA, usa a analogia de um pelotão de ciclistas em frente a um túnel. Para evitar um bloqueio durante uma passagem frontal, é necessário desacelerar alguns corredores antes do obstáculo.

Gérard Mourou faz o mesmo com as frequências. Depois de separá-los, ele impõe caminhos diferentes em cada cor usando uma grade de difração. Após a amplificação de cada freqüência, "basta" realizar a operação reversa para encontrar um pulso com o mesmo perfil, porém muito mais intenso. Com o CPA, a intensidade começou a subir novamente para chegar a… 1022 W / cm2 hoje, 1024 W / cm2 em 2006.

“Até um determinado valor de intensidade, o componente magnético da onda incidente permanece insignificante em relação ao seu componente elétrico, explica Gérard Mourou. Mas a partir de 1018 W / cm2, ele exerce pressão sobre o elétron. Esta última, até então submetida a um simples “swell”, é subitamente carregada por uma onda que a rebenta que a leva até atingir a sua própria velocidade, isto é, a da luz. Em seguida, entramos na visão não linear relativística. Os elétrons rasgados transformam seus átomos em íons que "tentam reter os elétrons, o que cria um campo elétrico contínuo, ou seja, eletrostático, de considerável intensidade". O campo elétrico alternado da onda de luz incidente é então transformado em um campo elétrico direto.

Este fenômeno “extraordinário” gera um campo titânico de 2 teravolts por metro (1012 V / m). “CERN em um medidor…”, resume Gérard Mourou. Em 1023 W / cm2, o campo eletrostático alcançará 0,6 petavolt por metro (1015 V / m) ...
Para efeito de comparação, o Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) acelera partículas em até 50 gigaeletronvolts (GeV) em 3 km. “Em tese, poderíamos fazer o mesmo em uma distância da ordem do diâmetro de um fio de cabelo”, diz a pesquisadora. Em sua época, Enrico Fermi (1901-1954) acreditava que, para chegar ao petavolt, o acelerador teria que dar a volta na Terra.

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

Mini big bang

Ao mesmo tempo que este desenvolvimento que poderia, a longo prazo, competir com grandes aceleradores de partículas, Gérard Mourou diz que está muito perto, mais uma vez graças às enormes intensidades de luz obtidas, de "quebrar o vazio", ou seja, de revelar " algo ”onde aparentemente não havia nada.

Na realidade, não se trata de uma operação mágica mas, “simplesmente”, de fazer aparecer o que era invisível. O objetivo teórico é uma intensidade de 1030 W / cm2. Para obter esse valor, os físicos consideram o vácuo como um dielétrico, ou seja, um isolante. Da mesma forma que uma intensidade muito alta faz com que um capacitor "estale", é possível "quebrar o vácuo".

Mas o que acontecerá então? Que partículas estranhas surgirão do vazio? Aqui, novamente, o mistério está esclarecido. Será um par elétron-pósitron. Uma partícula e sua antipartícula, que são as mais leves e, portanto, aquelas que, segundo a fórmula de Einstein, precisarão de menos energia para aparecer. E este mínimo também é conhecido: 1,022 MeV.

Assim, tudo parece pronto para que a matéria faça sua primeira aparição do vácuo de um laboratório. Este mini-Big Bang poderia acontecer antes de 1030 W / cm2. O Sr. Mourou acha que usando raios X ou gama, seria possível reduzir esse limite para cerca de 1023 a 1024 W / cm2. Esse é justamente o objetivo da LOA para os próximos anos.

Artigo publicado na edição de 19.10.05 do Le Monde