Les positrons sont de meilleurs générateurs de lumière que les électrons

Les écrans des téléviseurs ou des PC les utilisent. Ils sont également employés dans les laboratoires de recherche par exemple dans le cadre de l’étude des plasmas, du rayonnement de particules ou du rayonnement d’antiparticules. Nous parlons ici des substances luminescentes. Lorsque des particules, ou des antiparticules, rencontrent une telle substance, elles l’excitent et celle-ci émet alors de la lumière. Or ce que nous ne savions pas jusque-là, c’était que le rendement lumineux obtenu avec les électrons était sensiblement moins élevé que celui obtenu avec leurs antiparticules, les positrons. La découverte vient d’être faite par Eve Stenson, de l’Institut Max-Planck de physique des plasmas (IPP) de Garching et Greifswald, dans la cadre de la préparation d’expérimentations avec des plasmas matière – anti-matière.

Le positron déclenche une seconde réaction

L’IPP explique le rendement lumineux élevé obtenu avec les positrons de la manière suivante: à la fois les électrons et les positrons transmettent leur énergie cinétique à la substance luminescente lorsqu’ils entrent en collision avec elle. Lors du choc, les électrons de la substance luminescente passent d’un niveau d’énergie bas à un niveau d’énergie élevé. Lorsque l’effet retombe, ils restituent l’énergie libérée sous la forme de lumière – la substance se met alors à briller au niveau des points touchés.

S’agissant des positrons, un second effet apparait: lorsque le positron a transféré son énergie dans la substance luminescente, il peut se détruire avec un électron, son antiparticule. Un «trou» apparaît alors dans la partie de la substance luminescente dans laquelle se trouvent les électrons. D’autres électrons d’un niveau d’énergie plus élevé peuvent y tomber, ce qui peut conduire à une nouvelle émission de lumière. Cela s’explique globalement par le rendement lumineux plus élevé des positrons. «Cette ‹seconde› lumière peut toutefois également fournir des informations sur les propriétés de la substance luminescente et sur le mécanisme de la luminescence», explique Eve Stenson. En effet, bien que les substances luminescentes et les écrans luminescents soient utilisés depuis des décennies – par exemple dans les téléviseurs, les tableaux indicateurs, les capteurs physiques ou encore en tant que nanoparticules en médecine – des détails physiques importants de leur comportement restent inexpliqués.

Eve Stenson a mis en évidence l’impact différent des électrons et des positrons lorsqu’elle a souhaité calibrer l’écran luminescent à un piège à particules capable de stocker des électrons où des positrons. A sa grande surprise, les deux particules ont présenté des évolutions très différentes: les positrons, d’une énergie d’environ dix électrons-volts, ont provoqué dans les écrans luminescents composés de sulfure de zinc et d’oxyde de zinc autant de lumière que les électrons de plusieurs milliers d’électrons-volts. Afin de comprendre ce résultat, la scientifique a été contrainte de sortir de la physique des plasmas pour se plonger dans la physique des corps solides. Elle a en effet constaté que la luminescence provoquée par les électrons et les positrons pour les énergies faibles n’avaient encore jamais été comparée jusque-là bien que la présence des deux types de particules soit généralement détectée dans les écrans luminescents.

Application dans la technique?

«Si l’antimatière n’était pas si difficile à obtenir, nous pourrions espérer mettre au point un jour des écrans basse tension à haute luminance dans lesquels les écrans luminescents ne seraient pas stimulés par des électrons mais par des positrons», estime Eve Stenson en repensant à sa découverte. «Mais cela n’est malheureusement pas réalisable.». L’IPP estime toutefois possible dans le futur la mise au point d’une luminescence provoquée par des positrons.