Les accélérateurs de particules, bien que souvent associés à des laboratoires de recherche de grande envergure, pourraient bientôt trouver leur place dans des environnements plus restreints. Une équipe internationale de chercheurs a mis au point un accélérateur de particules compact qui pourrait révolutionner les applications dans les semi-conducteurs, l’imagerie médicale et la recherche en matériaux, énergie et médecine.
Un accélérateur de particules compact et puissant
Les chercheurs de l’Université du Texas à Austin, de plusieurs laboratoires nationaux, d’universités européennes et de la société texane TAU Systems ont démontré un accélérateur de particules compact de moins de 20 mètres de long produisant un faisceau d’électrons d’une énergie de 10 milliards d’électrons volts (10 GeV). Il n’existe actuellement que deux autres accélérateurs aux États-Unis capables d’atteindre de telles énergies d’électrons, mais tous deux mesurent environ 3 kilomètres de long.
« Nous pouvons désormais atteindre ces énergies en 10 centimètres », a indiqué Bjorn Hegelich, professeur associé de physique à l’UT et PDG de TAU Systems, faisant référence à la taille de la chambre où le faisceau a été produit. Il est d’ailleurs l’auteur principal d’un article récent décrivant leur réalisation dans la revue Matter and Radiation at Extremes.
Des applications variées pour cet accélérateur de particules
Bjorn Hegelich et son équipe explorent actuellement l’utilisation de leur accélérateur, appelé accélérateur laser à sillage avancé, à diverses fins. Ils espèrent l’utiliser pour tester la résistance des électroniques destinées à l’espace face aux radiations, pour imager les structures internes en 3D de nouveaux designs de puces semi-conductrices, et même pour développer de nouvelles thérapies contre le cancer et des techniques avancées d’imagerie médicale.
Cet accélérateur pourrait également être utilisé pour alimenter un autre dispositif appelé laser à électrons libres à rayons X, qui pourrait prendre des films au ralenti de processus à l’échelle atomique ou moléculaire. Des exemples de tels processus comprennent les interactions médicamenteuses avec les cellules, les changements à l’intérieur des batteries qui pourraient les faire prendre feu, les réactions chimiques à l’intérieur des panneaux solaires, et les protéines virales changeant de forme lors de l’infection des cellules.
Le fonctionnement de l’accélérateur de particules
Le concept des accélérateurs laser à sillage a été décrit pour la première fois en 1979. Un laser extrêmement puissant frappe du gaz d’hélium, le chauffe en un plasma et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Au cours des dernières décennies, divers groupes de recherche ont développé des versions plus puissantes. L’avancée clé des chercheurs repose sur les nanoparticules. Un laser auxiliaire frappe une plaque métallique à l’intérieur de la cellule à gaz, qui injecte un flux de nanoparticules métalliques qui amplifient l’énergie délivrée aux électrons par les ondes.
« Le laser est comme un bateau glissant sur un lac, laissant derrière lui un sillage, et les électrons surfent sur cette vague de plasma », a expliqué B. Hegelich. « Il est difficile de se lancer dans une grande vague sans être submergé, donc les surfeurs de sillage sont tractés par des Jet Skis. Dans notre accélérateur, l’équivalent des Jet Skis sont les nanoparticules qui libèrent des électrons au bon endroit et au bon moment, de sorte qu’ils sont tous là dans la vague. Nous introduisons beaucoup plus d’électrons dans la vague quand et où nous le voulons, plutôt que répartis statistiquement sur toute l’interaction, et c’est notre secret. »
Pour cette expérience, les chercheurs ont utilisé l’un des lasers pulsés les plus puissants au monde, le Texas Petawatt Laser, qui est hébergé à l’UT et émet une impulsion lumineuse ultra-intense toutes les heures. Une impulsion laser d’un seul pétawatt contient environ 1 000 fois la puissance électrique installée aux États-Unis, mais ne dure que 150 femtosecondes, soit moins d’un milliardième de la durée d’une décharge d’éclair.
L’objectif à long terme de l’équipe est de piloter son système à l’aide d’un laser qu’elle est en train de mettre au point, qui tiendrait sur une table et pourrait émettre des impulsions répétées des milliers de fois par seconde, ce qui rendrait l’ensemble de l’accélérateur beaucoup plus compact et utilisable dans des environnements beaucoup plus vastes que les accélérateurs conventionnels.
En synthèse
Cette recherche représente une étape significative dans le développement des accélérateurs de particules. Le travail de cette équipe internationale a permis de créer un accélérateur compact capable de produire un faisceau d’électrons à haute énergie. Cela donne l’impulsion à de nombreuses applications potentielles, allant de l’imagerie médicale à la recherche en matériaux et en énergie.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules compact ?
Un accélérateur de particules compact est un dispositif qui, contrairement aux accélérateurs traditionnels qui nécessitent des kilomètres d’espace, peut produire un faisceau d’électrons à haute énergie dans un espace beaucoup plus restreint, ici moins de 20 mètres de long.
Quelle est l’énergie produite par cet accélérateur ?
Cet accélérateur produit un faisceau d’électrons avec une énergie de 10 milliards d’électrons volts (10 GeV).
Quelles sont les applications potentielles de cet accélérateur ?
Les applications potentielles de cet accélérateur sont nombreuses, allant de l’imagerie médicale à la recherche en matériaux et en énergie, en passant par le test de la résistance des électroniques destinées à l’espace face aux radiations.
Comment fonctionne cet accélérateur ?
Un laser extrêmement puissant frappe du gaz d’hélium, le chauffe en un plasma et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Un laser auxiliaire frappe une plaque métallique à l’intérieur de la cellule à gaz, qui injecte un flux de nanoparticules métalliques qui amplifient l’énergie délivrée aux électrons par les ondes.
Quel est l’objectif à long terme de cette recherche ?
L’objectif à long terme de cette recherche est de rendre leur système plus compact et utilisable dans des contextes beaucoup plus larges que les accélérateurs conventionnels, grâce à un laser qu’ils développent actuellement et qui peut tirer des milliers de fois par seconde.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Un accélérateur de particules compact a été développé. |
| Cet accélérateur produit un faisceau d’électrons avec une énergie de 10 GeV. |
| L’accélérateur a de nombreuses applications potentielles, y compris dans l’imagerie médicale et la recherche en matériaux et en énergie. |
| Le fonctionnement de l’accélérateur repose sur l’utilisation de lasers puissants et de nanoparticules. |
| L’objectif à long terme est de rendre le système plus compact et utilisable dans des contextes plus larges. |
Références
Crédit image principale : TAU Systems
Article original : «Compact particle accelerator achieves record energy», University of Texas at Austin, publié dans la revue Matter and Radiation at Extremes. DOI: 10.1063/5.0161687
