Imaginez un proton attrapant une onde et la surfant pour gagner de la vitesse. Bien que cette image puisse sembler farfelue, le principe de l’accélération d’ions par laser se révèle prometteur comme alternative aux accélérateurs conventionnels. Cependant, les cibles ultra-minces utilisées pour obtenir cette augmentation de l’énergie des ions sont vulnérables à la faible préimpulsion qui précède l’impulsion laser principale de haute intensité, ce qui signifie qu’une adaptation du processus est nécessaire.
Néanmoins, des chercheurs de l’Université d’Osaka ont désormais utilisé des lasers pour créer un champ électrique mobile qui accélère des protons à des énergies très élevées. Cette approche adaptée pourrait à terme contribuer au développement d’accélérateurs de particules de nouvelle génération, avec moins d’inquiétudes concernant la vulnérabilité des cibles. Les résultats ont récemment été publiés dans Progress of Theoretical and Experimental Physics.
L’équipe a utilisé un laser à impulsion longue et des cibles de graphène ultra-minces pour accélérer des protons à 132 MeV, soit près de la moitié de la vitesse de la lumière. L’expérience a démontré des capacités améliorées pour l’accélération d’ions par laser à impulsion longue, tandis que les simulations ont montré que les protons gagnaient de l’énergie grâce à un champ électrique mobile sur une période prolongée.
« En utilisant des couches de graphène ultra-minces et une impulsion laser relativement longue, nous pouvons accélérer des protons pendant une période prolongée et atteindre une énergie record de 132 MeV », déclare le premier auteur, Takumi Minami. « Nos résultats montrent que l’accélération de longue durée peut pousser les énergies des protons au-delà de celles généralement atteintes avec des impulsions laser plus courtes. »
La clé de cette approche résidait dans les propriétés du graphène, qui présente une combinaison inhabituelle d’extrême finesse et de durabilité. Les cibles de graphène d’une épaisseur nanométrique ont résisté à la préimpulsion initiale du laser, leur permettant de rester intactes jusqu’à l’arrivée de l’impulsion principale. Les simulations ont indiqué que le laser a ensuite généré une onde électrostatique se propageant à travers le plasma, créant un champ accélérateur qui a porté les protons énergétiques vers l’avant pendant plusieurs picosecondes.
« Le défi ne consiste pas seulement à produire ces rares protons de haute énergie, mais aussi à les identifier de manière fiable », déclare l’auteur principal, Yasuhiro Kuramitsu. « Nous devons passer au crible des millions d’images du détecteur à la recherche des signaux laissés par des ions individuels et distinguer les protons les plus énergétiques du bruit de fond. »
Les protons de haute énergie sont rares, ce qui signifie que les signaux qu’ils laissent dans le détecteur sont difficiles à identifier. Pour surmonter le défi ardu de l’examen de millions d’images, les chercheurs ont utilisé un réseau de neurones convolutif pour rechercher les signaux de protons. Le réseau de neurones a atteint une précision de 99,2 % lors d’une mesure à haute énergie et a permis à l’équipe de confirmer la présence de signaux de protons atteignant 132 MeV.
Ces résultats mettent en évidence les avantages tant de l’accélération par laser à impulsion longue que de la détection basée sur l’IA pour explorer des ions de plus haute énergie, des développements supplémentaires étant réalisés sur les détecteurs d’ions en ligne en temps réel. La combinaison de ces technologies pourrait à terme permettre aux expériences laser d’analyser leurs résultats et de s’optimiser elles-mêmes, rapprochant le domaine des systèmes laser autonomes et ouvrant de nouvelles perspectives passionnantes pour la recherche future.
Article : Proton surfing acceleration via propagating electrostatic waves induced by intense laser irradiation on large-area suspended graphene – Journal : Progress of Theoretical and Experimental Physics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Osaka U
