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Awake : une expérience pour miniaturiser les successeurs du LHC

Les préparatifs pour l’expérience Awake (A proton-driven plasma wakefield acceleration experiment) vont bon train au Cern. Si tout va bien, les premiers tests de l’effet d’accélération par champ de sillage plasma à l’aide de protons auront lieu en fin d’année. Avec cette technique prometteuse, les accélérateurs de particules du futur seront plus petits, plus puissants et moins coûteux.

Une vue de l’expérience Awake en cours d’installation au Cern. © Cern, Maximilien brice Une vue de l’expérience Awake en cours d’installation au Cern. © Cern, Maximilien brice

Awake : une expérience pour miniaturiser les successeurs du LHC - 2 Photos
cern awake cern Maximilien brice

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On ne sait pas très bien si le nouveau boson qui semble pointer le bout de son nez dans les détecteurs Atlas et CMS depuis l’année dernière est bien réel. Si tel n’est pas le cas, on peut continuer à craindre qu’il faille peut-être monter à des énergies supérieures à quelques dizaines, voire des centaines de TeV pour découvrir des signes d’une nouvelle physique, ce qui ne serait pas de bon augure pour l’avenir de la physique des hautes énergies dans les décennies à venir.

Tout espoir ne serait cependant pas perdu. Par exemple, pour produire avec un nouveau type d’accélérateur, des particules de matière noire. Mais il faudrait faire baisser le coût de construction et d’exploitation de ces machines. Et pour cela, il n’y a qu’une seule solution : il faut pouvoir accélérer des particules plus facilement et plus rapidement, ce qui signifie obtenir des gradients de champs électriques plus élevés, ce qui permettrait aux particules d’atteindre des énergies élevées en parcourant des distances plus courtes.

En effet, avec des accélérateurs classiques, comme de tels gradients ont une limite déjà atteinte et fixée par la physique, le problème est contourné en faisant circuler des faisceaux de particules afin de les faire pénétrer à plusieurs reprises dans une cavité accélératrice dite radiofréquence où le champ électrique oscille de manière à toujours se trouver dans la direction qui va conduire à une accélération supplémentaire lorsque les particules pénètrent dans la cavité. Lorsque l’on ne peut pas disposer d’un fort champ électrique, il faut pouvoir faire en sorte que tout se passe comme si une particule voyageait dans une région particulièrement longue pour produire une forte accélération.

Principe de l'accélération protons-plasma. Un paquet de protons provoque l'apparition d'un plasma dans un milieu matériel, pas forcément un gaz. L'impulsion laisse sur son passage, dans ce plasma, une sorte d'onde de sillage sur laquelle vont surfer des particules chargées qui sont ainsi accélérées à des hautes énergies sur une distance plus courte qu'au LHC.
Principe de l’accélération protons-plasma. Un paquet de protons provoque l’apparition d’un plasma dans un milieu matériel, pas forcément un gaz. L’impulsion laisse sur son passage, dans ce plasma, une sorte d’onde de sillage sur laquelle vont surfer des particules chargées qui sont ainsi accélérées à des hautes énergies sur une distance plus courte qu’au LHC. © Lawrence Berkeley National Laboratory

L’accélération par champ de sillage plasma

Malheureusement, qui dit trajectoire en cercle dit perte d’énergie par rayonnement ce qui compromet l’accélération à moins de faire des accélérateurs en anneau dont le diamètre est de plus en plus grand, donc de plus en plus cher. Heureusement, les ingénieurs et les physiciens ont découvert une alternative qu’ils développent depuis des années : l’accélération par champ de sillage plasma.

Elle consiste à produire, à l’aide d’un laser ou d’un faisceau de particules chargées se déplaçant dans un plasma, des gradients accélérateurs plus élevés que ceux des cavités radiofréquences actuelles. C’est le passage des photons ou des particules dans le plasma qui y produit l’analogue de l’onde d’étrave d’un bateau à la surface de l’eau, laquelle onde dans le plasma donne localement naissance à des champs électriques élevés.


Une présentation de l’expérience Awake. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n’est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l’expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK » © Cern

Le Cern a bien compris le potentiel de cette technologie et c’est pourquoi il a entrepris il y a quelques années la construction de l’expérience Awake (A proton-driven plasma wakefield acceleration experiment, en anglais). Elle est destinée à donner une preuve de principe que l’on peut faire de l’accélération par champ de sillage plasma en utilisant des faisceaux de protons.

Des accélérateurs de particules miniaturisés

En théorie, il est prévu pour cela d’exploiter des paquets de protons de 400 GeV issus du Supersynchroton à protons (SPS), au Cern. Toujours en théorie, le champ de sillage pourra alors permettre d’accélérer des paquets d’électrons d’un second faisceau injecté de sorte qu’il devrait être possible de leur faire atteindre 100 GeV alors qu’ils n’auraient parcouru qu’une centaine de mètres.

Dans un communiqué récent, le Cern vient de faire savoir que les travaux pour Awake se poursuivent et que le 11 février 2016 la chambre à plasma de 10 mètres de long développée par l’Institut de Physique Max Planck à Munich (Allemagne) avait finalement été mise en place dans le tunnel qu’occupera l’expérience. La première phase de son développement devrait s’achever avec, à la fin de cette année, les premiers tests d’injections de protons. L’année suivante, l’expérience sera complétée afin de permettre l’injection d’électrons et les premiers tests de leur accélération par champ de sillage produit par les faisceaux de protons.

Selon la responsable du projet, Edda Gschwendtner : « Il y a encore beaucoup de défis à surmonter. Mais si cette technologie ce concrétise vraiment, le futur sera brillant. Nous pourrons avoir des accélérateurs linéaires bien plus petits et même des accélérateurs sur des paillasses pour des applications médicales ».

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern.


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