Un instrument adapté de l’observation astronomique permet de capturer des effets d’interférence quantique singuliers

Lorsque les électrons se recombinent avec des ions hautement chargés, la polarisation des rayons X devient importante pour tester la physique atomique fondamentale impliquant des effets d’électrodynamique relativiste et quantique. Mais à ce jour, les chercheurs expérimentaux ont été mis au défi par les difficultés techniques que ces expériences nécessitent.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Nobuyuki Nakamura de l’Institut de sciences laser de l’Université d’électro-communications, et comprenant le professeur Tadayuki Takahashi de l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU) et l’étudiant diplômé Yutaka Tsuzuki, et l’Institut de l’espace et Shin Watanabe, professeur agrégé en science astronautique (ISAS/JAXA), a combiné avec succès deux instruments et technologies de pointe pour mesurer la polarisation des rayons X à haute énergie émis lorsque des ions hautement chargés capturent des électrons à haute énergie.

Le premier est le piège à ions à faisceau d’électrons Tokyo-EBIT, qui est l’un des principaux générateurs d’ions hautement chargés au monde et des instruments expérimentaux appartenant à l’Université d’électro-communications, et le second est la caméra Si/CdTe Compton pour les hautes énergies X-rays, qui a été développé pour les observations astronomiques principalement à l’ISAS/JAXA et amélioré pour cette recherche.

La technologie derrière la caméra Si/CdTe Compton a été développée à l’origine par une équipe dirigée par Takahashi pour étudier les rayons X et les rayons gamma dans l’univers émis par des trous noirs, des supernovae et des amas de galaxies hautement énergétiques, et a été intégrée à l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale. (JAXA) Satellite ASTRO-H, lancé en 2016.

Takahashi cherchait un moyen d’adapter la technologie à d’autres domaines. Après une réunion avec Nakamura, Takahashi a commencé à travailler sur la conception de l’expérience de polarisation des rayons X et sur la mise en œuvre de la caméra Si/CdTe Compton dans la méthode.

Tsuzuki a réalisé une grande partie de l’étalonnage et de la simulation de la caméra Compton.

Xiao-Min Tong, professeur agrégé à l’Université de Tsukuba, Xiang Gao, chercheur distingué à l’Institut de physique appliquée et de mathématiques computationnelles, et Daiji Kato, professeur agrégé à l’Institut national des sciences de la fusion, ont effectué une analyse théorique des résultats, qui a révélé que la polarisation étonnamment grande observée dans le l’expérience était le résultat d’effets d’interférence quantique, où les ondes de probabilité mécaniques quantiques interfèrent les unes avec les autres. Normalement, les états initiaux de deux ondes doivent être égaux pour qu’une interférence se produise, mais il a également été révélé que la polarisation observée était causée par un effet d’interférence particulier entre deux ondes avec des moments cinétiques différents.