Une vue de l’expérience Awake au Cern. © Maximilien Brice/Julien Ordan/CERN

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Awake : les successeurs du LHC bientôt miniaturisés ?

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L'expérience Awake (A proton-driven plasma wakefield acceleration experiment) a connu son premier succès au Cern. Les premiers tests de l'effet d'accélération par champ de sillage plasma sur des électrons sont prometteurs. Les accélérateurs de particules du futur seront plus petits, plus puissants et moins coûteux.

Il y a deux ans, Futura avait présenté (voir ci-dessous) l'expérience Awake (A proton-driven plasma wakefield acceleration experiment), dont les préparatifs allaient bon train au Cern. C'est un exemple de recherches sur une technique d'accélération des particules qui permettrait d'atteindre des énergies élevées avec des machines plus petites et moins coûteuses. Il se pourrait en effet que le LHC ne soit pas assez puissant pour atteindre lors de collisions le seuil d'énergie où une nouvelle particule issue d'une nouvelle physique pourrait se manifester, en l'occurrence au-dessus de 14 TeV.

Mais le prix et la taille des successeurs du HC pourraient faire reculer les gouvernements alors que les difficultés économiques semblent devoir s'amonceler à l'horizon 2030. Plus généralement, une bonne idée serait de miniaturiser les accélérateurs déjà existants, pour les faire passer de la taille d'une usine à celle d'une pièce, voire moins. Au-delà de la physique, ce régime minceur serait appréciable en médecine pour la protonthérapie.

Or, dès 1979, les physiciens américains Tajima et Dawson avaient proposé dans ce but d'utiliser des plasmas créés avec des impulsions laser pour accélérer des particules. Ils ont ainsi initié les recherches sur ce que l'on appelle maintenant la technique de l'accélération laser-plasma. Ce n'est pas une impulsion laser en elle-même qui est utilisée directement pour accélérer des particules chargées, comme les électrons. En effet, une impulsion lumineuse produit des champs électriques oscillant perpendiculairement à sa direction de propagation et ne peuvent donc pas accélérer des particules chargées dans cette direction. Mais en s'y prenant bien, il est possible de 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.

La chef du projet Awake du Cern, Edda Gschwendtner, explique comment l'expérience a accéléré des électrons pour la toute première fois. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Des électrons accélérés avec des champs 30 fois plus intenses qu'au LEP

Ainsi, une impulsion laser de puissance suffisante pénétrant dans un gaz, comme l'hélium, provoque sa ionisation. Dans le plasma ainsi formé apparaissent ensuite des ondes, équivalentes au 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 sur de courtes distances des électrons ou des protons.

Au Cern, l'expérience Awake n'utilise pas de l'hélium mais un gaz d'atomes de rubidium chauffé uniformément à une température d'environ 200 °C. Et si le plasma a bien été généré par des impulsions laser, ce sont des protons issus de la chaîne des accélérateurs du LHC qui ont été utilisés le matin du samedi 26 mai 2018 pour réaliser la toute première accélération d'électrons par ce moyen. Une performance qui a été saluée par un article dans Nature et qui aurait sans doute été appréciée à sa juste valeur par le grand spécialiste de la physique des accélérateurs de particules qu'était le prix Nobel de physique Burton Richter s'il était encore parmi nous.

Les protons qui ont pénétré dans la « cellule plasma » d'Awake venaient juste de sortir avec une énergie de 400 GeV du dernier étage d'accélération du LHC, c'est-à-dire le Supersynchrotron à protons (SPS). Par l'effet de sillage, des électrons injectés avec une énergie d'environ 19 MeV ont été portés à une énergie de presque 2 GeV sur une distance d'environ 10 m. Autrement dit, les différences de potentiel créées par les champs électriques très intenses ont à peu près multiplié cette énergie par 100.

La performance se mesure mieux à l'aune de la comparaison avec les champs électriques atteints dans l'accélération des électrons et des positrons par le prédécesseur du LHC, le Grand collisionneur électron-positon (LEP), exploité au Cern entre 1989 et 2000. Le gradient d'accélération nominal était alors de de 6 MV/m alors qu'Awake atteint déjà un gradient d'accélération moyen d'environ 200 MV/m.

Edda Gschwendtner, coordinatrice technique et responsable du projet Awake, est optimiste. Elle pense qu'avec son équipe il sera possible d'atteindre un gradient d'accélération d'environ 1.000 MV/m dans un futur proche.

  • On se sert de champs électriques pour accélérer des particules, plus ils sont intenses plus il est possible de leur faire atteindre des énergies élevées rapidement sur une petite distance traversée dans la zone où règnent ces champs.
  • Une technique d'accélération avec des faisceaux de particules traversant un plasma produisant l'équivalent d'un sillage de bateau est prometteuse. 
  • On vient de la tester au Cern en accélérant pour le première fois des électrons avec un faisceau de protons dans le cadre de l'expérience Awake (A proton-driven plasma wakefield acceleration experiment).
Pour en savoir plus

Awake : une expérience pour miniaturiser les successeurs du LHC

Article de Laurent Sacco publié le 20/02/2016

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.

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. © 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 ».

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