Sciences

La matière la plus rapide jamais photographiée

ActualitéClassé sous :physique , accélérateur de particules , laser

-

C'est la matière la plus rapide qui ait jamais été photographiée. Pourtant, ces électrons ont atteint leur vitesse dans un accélérateur miniature, qui tiendrait sur un coin de table...

En plus du puissant tir laser (en rouge), deux impulsions ont été envoyées (couleurs d'arc-en-ciel) avant et après. La seconde a traversé le plasma dans lequel circulait l'onde (sinusoïde verte). Dans un spectromètre, elle a interféré avec la première, qu

De 0 à 99 % de la vitesse de la lumière en un dix-millième de milliardième de seconde : c'est la phénoménale vitesse qu'ont atteint une poignée d'électrons sous l'effet d'une impulsion laser dans une expérience1 menée par deux physiciens américains, Nicholas Matlis et Michael Downer (University of Texas, Austin). Dans un plasma d'hélium, un laser extrêmement puissant - 30 térawatts - a créé cette onde ultra-rapide, qui génère des champs électriques énormes, atteignant 100 GeV/m et qui a emporté les électrons avec une accélération de 2.1022 m/s2.

Le phénomène est connu depuis longtemps sous le nom d'onde de champ sillage (wakefield en anglais). Il pourrait permettre la réalisation de minuscules accélérateurs de particules. Les vitesses atteintes par les électrons de cette expérience sont en effet du même ordre que celles obtenues dans les gigantesques accélérateurs de particules, comme celui du Cern, près de Genève, long de 26 kilomètres.

Dans le plasma d'hélium, le coup de laser à 30 TW a généré une onde de champ sillage, visible en 2D (en gris) et en 3D (en couleurs). On voit, à droite, le front d'onde courbé. Crédit : N. Maltis et al., University of Texas

Un hologramme pour visualiser un phénomène mal connu

Mais la physique à l'œuvre reste encore bien mal connue et résulte surtout de travaux théoriques. Mtlis et Downer, eux, ont pu, presque littéralement, photographier cette onde, et même en trois dimensions ! Leur technique, baptisée Frequency Domain Holography, consiste à réaliser deux éclairs laser (de longueur 400 nm) avant et après le coup de laser principal à 30 TW (de longueur 800 nm). Ces deux impulsions sont dirigées vers un spectromètre. Le second, qui a traversé l'onde de champ sillage, interfère avec le premier, qui y a échappé et qui sert de référence. Le résultat est un hologramme.

Les scientifiques ont maintenant de magnifiques images à analyser pour mieux finaliser leurs modèles décrivant cet effet de sillage d'un laser ultrapuissant dans un plasma, où les phénomènes relativistes ont la part belle. Une fois ce terrain débroussaillé, on pourra raisonnablement espérer des accélérateurs suffisamment compacts pour être utilisés partout où leur rayonnement synchrotron trouve une utilité, notamment les hôpitaux ou des laboratoires de recherche.

(1) : Matlis et al., "Snapshots of laser wakefields," Nature Physics, Nov. 2006

Cela vous intéressera aussi