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Sous l’œil du laser : une collision photon-électron

Il est un milliard de fois plus lumineux que le Soleil : le laser Diocles a permis d'observer un phénomène jusqu’ici décrit uniquement dans les livres.

Que se passe-t-il lorsqu’un photon percute un électron ? Ce phénomène, baptisé « diffusion Thomson », n'était connu que de manière théorique. Mais une équipe de recherche du laboratoire Extreme Light, de l’université de Nebraska-Lincoln, a réussi à créer artificiellement cette rencontre.

C'est récemment que des forces de champ électromagnétique suffisamment élevées ont pu être utilisées pour étudier expérimentalement la diffusion Thomson. Cette réussite est due à Diocles, le laser le plus puissant du monde, construit pour étudier les interactions de la lumière avec la matière. Sa luminosité est un milliard de fois supérieure à celle du Soleil !

Un scientifique au travail dans le laboratoire Extreme Light de l'Université de Nebraska-Lincoln, où les physiciens utilisant la lumière la plus brillante jamais produite ont pu changer la façon dont les photons se dispersent à partir d'électrons.© Université Communication | Université du Nebraska-Lincoln

L’expérience consiste à projeter le laser (et donc des particules de lumière, les photons) sur des électrons associés à des noyaux d'hélium, puis à mesurer la façon dont les photons se dispersent après avoir frappé les électrons. Les précédentes expériences avaient réussi à mettre quelques photons en collision avec un électron. Grâce à Diocles, l’électron n’a pas rencontré un seul photon, mais mille ! Les résultats sont parus dans la revue Nature Photonic le 26 juin.

Un comportement inédit de la lumière

À ces puissances élevées, l'angle, la forme et la longueur d'onde de la lumière dispersée sont très particuliers. On retiendra surtout que le phénomène génère des impulsions de rayons X permettant de réaliser des radiographies d'une qualité encore jamais atteinte et dont les applications sont multiples.

À l'aide de la lumière la plus brillante jamais produite, les physiciens de l'Université de Nebraska-Lincoln ont obtenu cette radiographie haute résolution d'un lecteur USB. L'image révèle des détails non visibles avec l'imagerie radiographique ordinaire.© Laboratoire Extreme Light | Université du Nebraska-Lincoln

Dans le domaine médical, par exemple, ces radiographies pourraient servir à repérer les tumeurs ou les micro-fractures qui ont échappé aux rayons X traditionnels. Elles pourraient aussi être utilisées pour visualiser le mouvement des électrons ou des réactions chimiques dans les réacteurs nucléaires.

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