Dans le tunnel du LHC, long de presque 27 kilomètres, les particules sont accélérées à l’aide, notamment, d’électroaimants supraconducteurs visibles sur cette photo. © Rainer Hungershausen, Flickr, CC by-nc-nd 2.0

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Bientôt un LHC miniature grâce au laser et au plasma ?

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Les accélérateurs de particules présentent un inconvénient majeur : leur imposante taille. C'est notamment le cas du LHC qui mesure près de 27 kilomètres de long. Dans l'espoir de concevoir des accélérateurs de particules plus maniables (et pourquoi pas même portables), des physiciens de l'université du Maryland ont exploré - avec succès semble-t-il - la piste de la technologie d'accélération par champ de sillage plasma.

Les accélérateurs de particules n'en finissent plus de faire la Une de l'actualité scientifique. Il y a quelques jours, des scientifiques venus de toute l'Europe se retrouvaient au Cern pour discuter du projet HL-LHC, un accélérateur de particules haute luminosité grâce auquel ils espèrent débusquer des particules de matière noire. Pendant ce temps, des physiciens de l'université du Maryland (États-Unis) ont annoncé, dans les colonnes de la Physical Review Letters, avoir réussi à accélérer des faisceaux d'électrons jusqu'à plus de 10 millions d'électrons-volts (MeV) à partir d'impulsions laser de seulement quelques millijoules. De quoi espérer pouvoir concevoir des accélérateurs de particules moins coûteux et moins volumineux qu'aujourd'hui.

Comme son nom l'indique, un accélérateur de particules est un instrument qui, grâce à des champs électriques et magnétiques judicieusement placés le long du parcours des faisceaux, permet d'accélérer des particules chargées jusqu'à des vitesses élevées. Les applications ne concernent pas uniquement la recherche fondamentale. Bien sûr, de tels accélérateurs sont précieux pour les physiciens des particules, qui peuvent ainsi mettre leurs théories à l'épreuve de l'expérience. Mais la médecine utilise aussi des accélérateurs de particules dans le cadre du traitement du cancer par radiothérapie, par exemple.

Mais pour fournir les résultats escomptés, les accélérateurs de particules conventionnels se présentent sous la forme de machines de tailles colossales. Ainsi, le plus grand accélérateur de particules du monde est constitué d'un anneau de 27 kilomètres de long au cœur duquel circulent des faisceaux de particules à haute énergie. Il est situé entre la France et la Suisse et connu sous l'acronyme LHC pour Large Hadron Collider, grand collisionneur de hadrons. Et qui dit taille colossale, dit également budgets faramineux.

C'est pourquoi les physiciens travaillent depuis plusieurs années à imaginer une technologie qui leur permettrait de concevoir des accélérateurs de particules « de poche ». Il y a deux ans, des chercheurs du Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford (Slac) avaient ainsi réussi à accélérer des électrons dix fois plus rapidement sur une distance de moins d'un millimètre qu'avec les techniques habituelles en combinant nanotechnologies et laser. De quoi rêver à un accélérateur de particules pas plus grand qu’un doigt. Le Cern, de son côté, a lancé en 2014, une étude en vue de la réalisation d'un LHC miniature à partir de la technologie dite d'accélération par champ de sillage plasma. C'est justement cette technologie alternative qu'ont explorée les physiciens de l'université du Maryland.

Les trois encadrés de cette illustration montrent trois étapes importantes de la technologie dite d’accélération par champ de sillage plasma mise en œuvre par les physiciens de l’université du Maryland. Une impulsion laser est envoyée dans un jet d’hydrogène gazeux très dense. Le gaz est ionisé et un plasma se forme. L’effet d’autofocalisation relativiste est initié (encadré de gauche, relativistic self-focusing). Les électrons sont alors accélérés très rapidement jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils émettent des flashs lumineux aussi brefs qu’intenses (encadré du milieu, flash). Le paquet d’électrons accélérés continue à gagner en énergie puis quitte le plasma, produisant des radiations intenses (encadré de droite, exiting e-beam) pouvant notamment servir à des applications d’imagerie médicale. © Howard Milchberg/George Hine, University of Maryland

Une impulsion laser et un plasma pour accélérer des électrons

Le point de départ de l'accélération par champ de sillage plasma est une impulsion laser tirée dans un plasma - ici de l'hydrogène complètement ionisé. Une impulsion laser intense peut créer, à la suite du faisceau, un sillage de plasma - un peu comme la traînée que laisse dans l'eau, un hors-bord lancé à vive allure. Un paquet d'électrons, émis à la suite de l'impulsion laser initiale, peut alors « surfer » sur les vagues de ce sillage et accélérer ainsi à une vitesse approchant la vitesse de la lumière en quelques millionièmes de mètre. Mais pour générer ce phénomène, il faut partir d'une impulsion laser intense.

Pour contourner le problème, les physiciens de l'université du Maryland ont choisi une approche différente. Ils ont cherché à forcer le plasma lui-même à transformer une impulsion laser initialement de faible énergie en une impulsion intense. Comment ? Quand une impulsion laser traverse un plasma, les électrons oscillent dans le champ créé par le laser. Les électrons qui se trouvent au centre de l'impulsion sont les plus impactés. Ils oscillent rapidement et gagnent ainsi en masse, comme l'impose la loi de la relativité. Ainsi, la partie centrale du faisceau se trouve ralentie. Le faisceau s'autofocalise, gagnant du même coup en intensité et générant finalement le sillage plasma tant recherché. Un effet connu sous le terme d'autofocalisation relativiste et qui s'accentue avec la densité du plasma.

Dans leurs expériences, les physiciens de l'université du Maryland ont utilisé un plasma 20 fois plus dense que les plasmas classiquement employés. Ils ont ainsi pu réduire de manière considérable l'énergie de l'impulsion laser nécessaire à initier une autofocalisation relativiste et à la création d'un sillage plasma (jusqu'à environ 1 % de l'énergie maximale du laser). Il faudra sans doute quelques années de développement pour que ce nouveau type d'accélérateurs de particules ne vienne concurrencer les modèles classiques. Mais le prototype mis au point dans les laboratoires de l'université du Maryland permet d'ores et déjà de produire des faisceaux d'électrons et de radiations pouvant notamment être utilisés pour des applications médicales.

Une bonne nouvelle n'arrivant jamais seule, les physiciens de l'université du Maryland ont pu également observer que leur accélérateur de particules était capable d'émettre des flashs de lumière intenses et extrêmement brefs. Ceux-ci résulteraient des accélérations initiales des électrons dans le sillage plasma. Quelque 3 % du rayonnement laser initial sont ainsi émis dans un éclair qui dure un millionième de milliardième de seconde. De quoi imaginer le développement de lumières stroboscopiques capables de capturer le mouvement des électrons sur leurs orbites atomiques.

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