En 1976, le physicien canadien Bill Unruh posa une question simple : que voit un observateur qui accélère dans le vide ? La réponse s'avéra étrange : le vide cesse d'être vide. L'observateur accéléré baigne dans un rayonnement thermique dont la température est proportionnelle à l'accélération. Pour une accélération de $10^{20}$ g, soit des milliards de milliards de fois l'accélération terrestre, cette température atteint environ 4000 K, comme la surface d'une étoile rouge. Mais elle naît du vide pur.

Capturer ce rayonnement, c'est un peu comme distinguer la faible lueur d'une bougie à côté d'un projecteur. Dans une expérience réelle, les électrons accélérés par le laser ne ressentent pas seulement le bain thermique d'Unruh, ils diffusent aussi les photons du laser lui-même, ce qui produit un rayonnement Compton, un bruit de fond puissant. Les auteurs de ce nouveau travail ont construit un modèle tridimensionnel complet des deux processus pour deux installations : FACET-II (a0=5, énergie 10 GeV) et LUXE (a0=23.6, énergie 16.5 GeV). Ils ont suivi la direction des photons d'Unruh et des photons Compton, puis comparé leurs distributions spectrales et angulaires.

Le résultat évoque une carte du ciel étoilé où il faut repérer une galaxie faible parmi des étoiles brillantes. Avec les paramètres de FACET-II, le rapport signal sur bruit atteint un maximum d'environ $10^{-5}$ dans une gamme angulaire de 150 à 400 microradians, mais le signal absolu est extrêmement faible. Cependant, pour LUXE, où le champ laser est 23.6 fois plus intense que le champ critique, le rapport augmente de plus de deux ordres de grandeur, dépassant $10^{-3}$. Le pic se situe à un angle d'environ 800 microradians et pour des énergies de photons de 2 à 6 GeV. Pourquoi cela ? Le taux de production des photons d'Unruh croît avec le paramètre quantique χ plus rapidement que le rayonnement Compton, donc un laser plus intense favorise le signal.

Les auteurs ne se sont pas arrêtés aux électrons isolés. Ils ont examiné des faisceaux denses, où les effets collectifs peuvent amplifier le champ. À l'aide de l'équation de Vlasov, ils ont trouvé que pour des densités supérieures à $10^{21}$ cm^-3, la fréquence plasma dépasse la fréquence laser, ce qui amplifie le champ total et la température d'Unruh. Cela ouvre une nouvelle voie qui n'avait pas été envisagée auparavant.

Ce travail transforme la recherche de l'effet Unruh en un programme pratique plutôt qu'un simple problème théorique. Auparavant, on ne savait pas si l'on pouvait isoler le faible signal du bruit de fond Compton dans des expériences réelles. Désormais, on montre qu'à certains angles et énergies (200 à 800 microradians, 2 à 6 GeV), le rapport signal sur bruit atteint $10^{-3}$ sur LUXE, ce qui rend la détection potentiellement possible. Cela a été réalisé grâce à un modèle tridimensionnel complet des deux processus et à la comparaison de leurs distributions pour des installations spécifiques. Les résultats peuvent servir de guide pour planifier des expériences sur FACET-II et LUXE dès les prochaines années.

La bougie à côté du projecteur cesse d'être invisible si l'on sait où regarder. Les fenêtres de détection trouvées dans ce travail sont les premières cartes de ces endroits. C'est peut-être là, dans le cône étroit de rayonnement, que se manifestera pour la première fois le bruit thermique du vide.