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Laser et fibre optique : une recette pour un LHC à 1.000 TeV ?

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Accélérer des particules à 1.000 TeV avec des lasers est envisagé depuis quelque temps. Mais pour que l'instrument soit aussi efficace que le LHC, il faut une luminosité élevée, ce qui est problématique. Des chercheurs affirment que l'obstacle est surmontable avec des fibres optiques, au moins à beaucoup plus basses énergies. Au minimum, on devrait aller vers une génération d'accélérateurs bien plus compacts.

Schéma d'un système qui éliminerait certains déchets nucléaires avec un laser Can. Le but est d'accélérer des protons, presque à la vitesse de la lumière, pour produire une source de neutrons par spallation. Des impulsions laser (1) sont focalisées (2) sur une cible contenant des protons (3) à des intensités supérieures à 1023 W/cm2. Les protons accélérés à des énergies supérieures à 1 GeV frappent les noyaux d'une cible de Pb-Bi (plomb-bismuth) et y arrachent des neutrons, c'est la spallation (5). Ces neutrons sont utilisés pour transmuter du combustible épuisé (6). © Nature

On raconte que le grand Enrico Fermi s'était amusé à spéculer sur la taille et l'énergie maximales d'un accélérateur de particules, sans contrainte budgétaire et compte tenu de la technologie disponible. Le « Fermitron » qu'il imagina, comme certains l'appellent aujourd'hui, aurait ceinturé la Terre et permis des collisions à des énergies de 1.000 TeV (téraélectron-volt), c'est-à-dire presque 100 fois celles du Large Hadron Collider (LHC). C'était pendant les années 1950, au moment où Fermi, s'était lancé dans l'étude des particules élémentaires. Du fait des limites des accélérateurs de l'époque, il s'était tourné vers l'étude des rayons cosmiques (où se trouvent naturellement des particules à hautes énergies) et de leurs mécanismes d'accélération.

Plus tard, on eut de bonnes raisons de penser qu'à des niveaux d'énergie déjà accessibles au LHC, un extraordinaire zoo de nouvelles particules allait être rapidement découvert. Il n'en a rien été. Si tout espoir n'est pas encore perdu, on craint que pour découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard, une nouvelle génération d'accélérateurs capables d'atteindre au moins quelques dizaines de TeV ne soit nécessaire, et peut-être même un Fermitron. Malheureusement, il n'y a guère d'arguments théoriques à avancer pour espérer découvrir cette nouvelle physique à ces énergies. Pour convaincre les décideurs de lancer la construction de cette nouvelle génération d'accélérateurs, il faudrait très probablement une chute spectaculaire de leur coût.

Enrico Fermi fut le dernier théoricien qui connaissait toute la physique de son temps, en plus d'être un grand expérimentateur. On lui doit des contributions à la théorie de la relativité générale, la théorie de la désintégration bêta et la création de la première pile atomique. Vers la fin de sa vie, il a travaillé sur l'origine des rayons cosmiques en proposant des mécanismes d'accélération. © DP

Un laser pour faire « bouillir » le vide

Or, depuis un moment déjà, on explore de nouvelles techniques d'accélération des particules, notamment avec des lasers et des plasmas : le laser Bella en est un exemple. Dans cette technique, ce n'est pas une impulsion laser qui accélère directement des particules chargées, comme les électrons. En effet, une impulsion lumineuse produit des champs électriques oscillants perpendiculairement à sa direction de propagation. On cherche à produire des champs électriques très intenses, créant des différences de potentiel fortes sur de courtes distances, le long de la direction de propagation du faisceau de particules que l'on veut créer.

En faisant passer une impulsion laser de la puissance la plus grande possible dans un milieu, comme de l'hélium sous forme gazeuse, on provoque d'abord l'ionisation de ce gaz et la formation d'un plasma. Dans ce plasma, il apparaît ensuite ce que l'on pourrait comparer aux ondes formant le sillage d'un bateau. Ce sont ces ondes de densité d'électrons, répondant au passage de l'impulsion laser, qui créent les champs électriques intenses capables d'accélérer rapidement des électrons sur de courtes distances.

Depuis quelques années, des chercheurs comme Toshiki Tajima se demandent si le Fermitron ne serait pas réalisable de cette façon, mais en beaucoup plus petit. Atteindre les fameux 1.000 TeV (soit 1 PeV, ou pétaélectron-volt) ne lui semble pas impossible. Mais accélérer des particules est une chose, produire suffisamment de collisions par seconde pour pouvoir réaliser des expériences de physique des particules comme au LHC en est une autre. Pour aboutir dans quelques dizaines d'années à la mise en service d'un LHC avec des collisions à 1 PeV, il faudrait ainsi disposer de faisceaux avec une forte luminosité (comme on dit dans le jargon des physiciens des hautes énergies). Ce n'est pas gagné, et c'est pourquoi Tajima s'était contenté de spéculer sur des expériences pour sonder la structure du vide quantique, avec un Fermitron basé sur des lasers.

De futurs accélérateurs miniatures pour la médecine ?

Depuis quelque temps, le physicien français Gérard Mourou dirige une équipe internationale de chercheurs, qui travaille sur un laser révolutionnaire nommé Can (Coherent Amplifying Network ou réseaux amplificateurs cohérents). Il vient de publier un article dans Nature Photonics où il pronostique avec ses collègues que les accélérateurs de particules du futur seront probablement les héritiers du laser Can, lequel utilise des fibres optiques.

L'équivalent du LHC à quelques TeV pourrait peut-être finalement être construit, car l'obstacle de la luminosité ne semble plus aussi redoutable dans ce cas-là. Plus généralement, en employant des fibres optiques avec des lasers, des accélérateurs de particules plus compacts et moins coûteux sont réalisables. Le laser Can devrait ainsi notamment permettre de démocratiser certains traitements contre le cancer, comme la protonthérapie (le Centre de protonthérapie d'Orsay, en France, utilise un cyclotron de 240 tonnes).

La protonthérapie est utilisée à l'Institut Paul Scherrer (PSI), en Suisse, pour soigner les tumeurs oculaires. Malheureusement, pour générer des faisceaux de protons, il faut une machine de grande taille que l'on ne peut construire dans tous les hôpitaux. © Institut Paul Scherrer

La voie de l'accélération avec des lasers femtoseconde

La construction d'accélérateurs de particules à la fois puissants et miniaturisés avec des lasers se heurtait à deux problèmes majeurs. Tout d'abord, il faut savoir que les lasers que l'on doit utiliser sont des lasers femtoseconde. Ils sont 1.000 fois plus puissants que le réseau électrique mondial, mais ils ne peuvent émettre qu'une seule impulsion par seconde, car le dispositif nécessite à chaque fois un temps de refroidissement. Leur puissance moyenne est donc très faible.

Il résulte aussi finalement qu'avec de tels lasers, la puissance consommée en entrée est 1.000 à 10.000 fois plus élevée que celle dont on dispose en sortie. L'efficacité électrique totale se révèle donc très mauvaise, ce qui constitue le premier problème à résoudre.

Le second obstacle est plus proprement lié à la physique des hautes énergies : une impulsion par seconde est une fréquence beaucoup trop faible pour entraîner suffisamment de collisions avec des paquets de particules. Et on ne peut pas espérer produire rapidement une réaction rare mais importante, comme celle de la production d'un boson de Higgs par exemple. Pour faire avancer les découvertes dans un délai convenable (en moins de quelques décennies), il faut disposer de fortes fréquences de collision, et donc d'impulsions laser femtoseconde bien plus fréquentes.

Principe d'un laser Can. Une impulsion initiale à partir d'un laser (1) est étirée (2), puis divisée en plusieurs faisceaux dans des fibres optiques (3). Chaque faisceau est amplifié en plusieurs étapes pour finir par produire des impulsions de l'ordre de 1 mJ (millijoule) à un taux de répétition élevé (4). Tous les faisceaux sont finalement combinés de façon cohérente, comprimés (5) et concentrés (6) pour produire une impulsion avec une énergie supérieure à 10 J, avec une fréquence de répétition d'environ 10 kHz (7). © Phil Saunder

Des lasers pour détruire des déchets nucléaires

Les travaux récents des auteurs, exposés dans Nature Photonics, montrent qu'un laser Can n'a pas ces défauts. En utilisant des fibres optiques comme milieu d'amplification pour l'effet laser, au lieu de barreaux en rubis ou en saphir par exemple, la dissipation de chaleur est plus rapide. On peut donc monter à des fréquences de production d'impulsion laser de 10 kHz. Enfin, le rendement électrique bondit de moins de 0,1 % à 50 %.

Pour les chercheurs, on devrait donc disposer d'ici 10 à 15 ans d'une toute nouvelle génération d'accélérateurs, qui serait susceptible de faire bénéficier un plus grand nombre de patients de la protonthérapie, mais permettrait aussi probablement, cerise sur le gâteau, de révolutionner le traitement de certains déchets nucléaires.

Il reste encore beaucoup d'obstacles à surmonter, mais un laser Can serait capable de produire des faisceaux de neutrons très rapides. Par exemple, en bombardant avec ces neutrons des noyaux de technétium 99, de façon à leur ajouter un neutron supplémentaire, la demi-vie de cet élément radioactif passerait ainsi de 215.000 ans à quelques secondes seulement. Finalement, on peut espérer que la fabrication d'un vrai Fermitron soit devenue un peu moins chimérique. Pour le moins, il semble probable qu'un LHC long de quelques kilomètres seulement soit réalisable avec des lasers Can. On verra bien.