Un accélérateur de particules froides testera plusieurs théories pour la première fois

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Équipe éditoriale du site Innovation technologique - 15 juillet 2025

L'accélérateur d'atomes froids permettra de nombreuses études expérimentales, allant des phénomènes astrophysiques à l'informatique quantique . [Image : Tsuyoshi Kozu/Unsplash]

Accélérateur d'atomes froids

Lorsque nous parlons d'accélérateurs de particules, nous parlons généralement de rendre les choses très « chaudes » - en augmentant l'énergie des particules autant que possible, de sorte que la collision entre elles, ou entre elles et une barrière, soit aussi forte que possible.

Mais les choses pourraient être différentes avec les accélérateurs de particules naturels , ou accélérateurs cosmiques naturels , détectés en 2009 à l'échelle galactique et responsables de la génération de rayons cosmiques - ces accélérateurs comptent toujours parmi les plus grandes énigmes de la cosmologie actuelle.

Dès 1949, Enrico Fermi (1901–1954) a théorisé un mécanisme d'« accélération froide » responsable de la génération des rayons cosmiques. Le processus fondamental décrit par Fermi présente également des propriétés universelles, qui ont donné naissance à un large éventail de modèles mathématiques, comme le modèle de Fermi-Ulam. Il s'agit d'une représentation simplifiée du mécanisme d'accélération de Fermi, mais qui utilise des accélérations du second ordre, par lesquelles les particules cosmiques sont accélérées par des collisions répétées avec des nuages de gaz magnétisés dans l'espace interstellaire.

Aujourd'hui, Giovanni Barontini et ses collègues de l'Université de Birmingham au Royaume-Uni ont finalement réussi à créer un accélérateur Fermi ici même sur Terre, permettant pour la première fois d'étudier par observation la théorie originale et tous les modèles qui en découlent.

« Les résultats obtenus par notre accélérateur Fermi surpassent les meilleures méthodes d'accélération utilisées en technologie quantique. Cette technologie présente l'avantage supplémentaire d'être dotée d'une configuration exceptionnellement simple et miniaturisée, sans limite supérieure théorique », a déclaré la professeure Amita Deb, membre de l'équipe.

À l'accélérateur Fermi, une particule est heurtée à plusieurs reprises par une barrière de potentiel. [Image : G. Barontini et al. - 10.1103/nrjv-pwy1]

Apporter la théorie au laboratoire

En combinant gain d'énergie et pertes de particules, l'accélérateur expérimental Fermi permet d'obtenir des spectres d'énergie analogues à ceux observés dans les rayons cosmiques, fournissant la première vérification directe du résultat dit de Bell, qui est au cœur de tout modèle d'accélération des rayons cosmiques - Anthony Raymond Bell (1952-) a publié en 1978 un processus connu sous le nom d'accélération diffusive aux fronts de choc, qui suggère que les rayons cosmiques sont accélérés aux fronts de choc astrophysiques, tels que ceux créés par les restes de supernova.

L'accélérateur, long de seulement 100 micromètres, peut accélérer rapidement des atomes ultra-froids à des vitesses supérieures à un demi-mètre par seconde. Ce résultat est obtenu en provoquant la collision de barrières de potentiel optiques mobiles avec des atomes ultra-froids piégés par des faisceaux laser.

En d’autres termes, l’accélérateur Fermi est entièrement contrôlable, ce qui nous permet d’observer une accélération significative des particules froides, ouvrant de nouvelles possibilités pour étudier des phénomènes pertinents pour l’astrophysique des hautes énergies, qui sont généralement très difficiles à étudier expérimentalement.

« Nos travaux constituent la première étape vers l'étude de mécanismes astrophysiques plus complexes en laboratoire. La simplicité et l'efficacité de notre accélérateur Fermi en font un outil puissant, tant pour la recherche fondamentale que pour les applications pratiques en technologie quantique », a déclaré la professeure Vera Guarrera.

L'équipe prévoit en effet d'utiliser son accélérateur Fermi pour étudier l'accélération des particules lors des collisions cosmiques, de la reconnexion magnétique et de la turbulence, autant de processus critiques de l'Univers. L'étude de l'accélération quantique de Fermi pourrait également conduire au développement de nouveaux outils de manipulation des paquets d'ondes quantiques, ouvrant ainsi des perspectives prometteuses pour les avancées en informatique quantique .

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