Dream Beam : un nouvel accélérateur de particules

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Des chercheurs du CNRS (Laboratoire d'optique appliquée) et du CEA (Département de physique théorique et appliquée) ont produit pour la première fois un faisceau d'électrons "monoénergétiques", c'est-à-dire se déplaçant tous à la même vitesse, au moyen d'un accélérateur innovant, l'accélérateur "laser-plasma"¹. Depuis plusieurs années, les deux équipes travaillent à la mise au point de ce nouvel accélérateur, en rupture technologique complète avec les accélérateurs "classiques"². Aujourd'hui, le faisceau d'électrons obtenu est de si bonne qualité que le magazine Nature lui a consacré sa couverture en lui donnant le nom de "Dream Beam".

Pour mieux connaître les constituants élémentaires de la matière et mieux comprendre leurs interactions, les physiciens construisent des accélérateurs de particules de plus en plus performants. Comme le gain en énergie des faisceaux issus d'accélérateurs "classiques" ne peut excéder quelques dizaines de MeV par mètre, pour gagner en énergie, la taille des machines a été progressivement augmentée jusqu'à atteindre des proportions gigantesques. C'est pour s'affranchir de cette augmentation de taille et de coût que les chercheurs du CNRS et du CEA ont développé l'accélérateur laser-plasma.

La technologie "laser-plasma" consiste à focaliser une impulsion laser très brève (d'une durée de 30 femtosecondes³, soit un disque de lumière de quelques microns d'épaisseur et de 5 cm de diamètre) sur un jet de gaz de seulement quelques millimètres de long. Cette puissance concentrée transforme immédiatement le gaz en plasma. Des champs électriques plus de dix mille fois plus grands que dans les machines conventionnelles sont excités par l'impulsion laser dans le plasma, et accélèrent ses électrons sur une très faible distance. Dans les premières expériences, les électrons étaient accélérés de façon aléatoire. Aujourd'hui, les physiciens contrôlent l'extraction des électrons et arrivent à produire un faisceau d'électrons de bonne qualité, de forte intensité, de durée ultra-courte, à une énergie bien définie de quelques centaines de MeV.

Ce faisceau de rêve ("dream beam") ouvre de grandes perspectives scientifiques :

• il peut déjà être utilisé pour sonder la matière avec une bonne résolution spatiale et temporelle, avec des applications dans les domaines de la physique, de la chimie ou de la médecine ;
  
• il représente un premier pas vers une rupture technologique qui pourrait un jour fournir aux physiciens des hautes énergies une méthode d'accélération extrêmement compacte. Ces travaux ont bénéficié du soutien de la Communauté européenne dans le cadre du programme CARE.

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