LA LUMIÈRE PEUT-ELLE REBONDIR SUR LA LUMIÈRE ?

Allumez deux lampes torches de façon que leurs faisceaux se croisent : chacun poursuit sa route comme si l’autre n’existait pas. C’est le principe de superposition, au cœur de l’optique. Il tient parce que les équations de l’électromagnétisme sont linéaires, et il correspond à l’expérience de tous les jours.

Depuis les travaux d’Euler, Heisenberg et Kockel dans les années 1930, les physiciens savent que ce principe n’est pas tout à fait exact. La physique quantique remplit le vide de fluctuations fugaces — en électrodynamique quantique, des paires virtuelles d’électrons et de positrons. Par leur intermédiaire, la lumière peut sentir la lumière. Deux conséquences en découlent : la diffusion de la lumière par la lumière, où un faisceau dévie des photons d’un autre, et la biréfringence du vide, où le vide modifie la polarisation d’une lumière — la direction dans laquelle oscille son champ électrique — qui traverse un champ intense. Aucune des deux n’a encore été vérifiée expérimentalement à basse énergie, là où les photons portent bien moins d’énergie que celle que renferme la masse d’un électron.

Des rayons X contre un laser intense

La collaboration BIREF@HIBEF — environ 80 chercheurs, dont des équipes de l’institut Helmholtz d’Iéna et du centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf — a organisé la collision au laser européen à électrons libres à rayons X (European XFEL), à Schenefeld, en Allemagne :

• la pompe : le laser ReLaX, des impulsions infrarouges de 23 femtosecondes (millionièmes de milliardième de seconde) portant 4 joules, focalisées sur une tache d’environ 1,1 sur 1,4 micromètre, à 7,7 × 10²¹ watts par centimètre carré ;
• la sonde : des impulsions de rayons X de 8,766 keV (kiloélectronvolts : chaque photon X porte plus de 5 000 fois l’énergie d’un photon de la pompe infrarouge), chacune d’environ 100 milliards de photons, tirées de face dans la pompe.

Le champ intense de la pompe devrait légèrement perturber le vide, et quelques photons X qui le traversent devraient en ressortir avec leur polarisation basculée. Même dans des conditions idéales, cela fait environ un photon sur 10¹³ — et ces photons partent dans la même direction que les 100 milliards d’autres.

Le dispositif en champ sombre : un fil projette une ombre dans le faisceau X, le signal du vide quantique créé à la collision passe par l’ouverture, et un séparateur distingue ses deux polarisations. — Figure 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

Cacher le faisceau dans une ombre

L’astuce s’appelle le champ sombre. Un fil de tungstène poli, épais de 250 micromètres, est placé dans le faisceau X avant sa focalisation. Il projette une ombre. Au foyer, l’ombre disparaît ; après lui, elle réapparaît — mais le signal, né dans la minuscule tache du foyer, s’ouvre en un cône plus large qui la remplit. Une ouverture de 40 micromètres bloque alors le faisceau principal et laisse passer la zone d’ombre, puis un cristal de germanium sépare les deux polarisations vers deux détecteurs qui comptent les photons. Seuls 4 photons X sur mille milliards du faisceau principal ont fui dans le canal de polarisation basculée ; le canal de polarisation inchangée, lui, recevait encore environ 7 000 photons de la sonde par tir.

La pompe tire à 0,5 hertz et la sonde à 10 hertz : chaque collision s’accompagne de 19 tirs de référence sans pompe. Sur 2 751 collisions et 52 441 tirs de référence, le canal basculé a compté 0,4649 photon par tir avec la pompe, 0,4636 sans : aucune différence. Après soustraction du fond, l’excès valait −0,0024 photon par tir, compatible avec zéro.

Un silence dix milliards de fois plus parlant

Pour savoir ce que vaut ce silence, l’équipe a simulé toute l’expérience, faisceau par faisceau et lentille par lentille, avec le désalignement mesuré de chaque tir. L’électrodynamique quantique prédit au total seulement 0,0008 photon dans le canal basculé pour toute la campagne : bien en dessous de ce que cette série pouvait détecter.

Le résultat est une limite supérieure. Avec 95 % de confiance, la diffusion de la lumière par la lumière vaut au plus 70 000 fois la valeur prédite par l’électrodynamique quantique, à une énergie de collision de 116 électronvolts (la racine carrée du produit des énergies d’un photon X et d’un photon du laser, 8 766 et 1,55 électronvolts). Un signal de plus de 56 photons sur les 2 751 collisions aurait été repéré. Les expériences antérieures à basse énergie n’avaient atteint que des limites environ dix milliards de fois plus faibles.

Limites supérieures sur la diffusion de la lumière par la lumière, rapportées à la prédiction quantique (tirets rouges à 1) : cette expérience, à 70 000, face aux expériences antérieures à basse énergie. — Figure 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

Combler l’écart

Selon les auteurs, l’écart de 70 000 n’est pas hors de portée. Faire fonctionner ReLaX à ses paramètres publiés, 8 joules et 1 hertz, donnerait 8 fois plus de signal pour la même durée ; une géométrie de champ sombre libérée des contraintes de l’installation actuelle améliorerait le rejet du fond d’un facteur supérieur à mille ; des détecteurs plus rapides gagneraient encore un facteur dix ou plus. Ensemble, ces améliorations devraient permettre la première observation directe en laboratoire de la lumière diffusée par la lumière — puis la mesure des deux nombres, a et b, que l’électrodynamique quantique attribue à la réponse du vide.