Les accélérateurs de particules, bien que souvent associés à des laboratoires de recherche de grande envergure, pourraient bientôt trouver leur place dans des applications plus courantes grâce à une innovation majeure. Une équipe internationale de chercheurs a mis au point un accélérateur de particules compact qui pourrait transformer les applications dans les semi-conducteurs, l’imagerie médicale, la recherche sur les matériaux, l’énergie et la 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 qui produit un faisceau d’électrons avec une énergie de 10 milliards d’électrons volts (10 GeV). Il n’y a actuellement que deux autres accélérateurs aux États-Unis capables d’atteindre de telles énergies d’électrons, mais ils mesurent tous deux environ 3 kilomètres de long.
« Nous pouvons maintenant atteindre ces énergies en 10 centimètres », a déclaré 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 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
Le Professeur Hegelich et son équipe explorent actuellement l’utilisation de leur accélérateur, appelé un 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 un 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 lorsqu’elles infectent les 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 de Hegelich et de son équipe 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 augmentent 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.
« Il est difficile de se lancer dans une grande vague sans être submergé, donc les surfeurs de sillage se font tracter par des Jet Skis », a précisé Bjorn Hegelich. « Dans notre accélérateur, l’équivalent des Jet Skis sont des 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. »
Des perspectives d’avenir pour l’accélérateur de particules
Pour cette expérience, les chercheurs ont utilisé l’un des lasers pulsés les plus puissants du monde, le Texas Petawatt Laser, qui est hébergé à l’UT et émet une impulsion de lumière ultra-intense toutes les heures.
Une seule impulsion laser de petawatt contient environ 1 000 fois la puissance électrique installée aux États-Unis mais ne dure que 150 femtosecondes, moins d’un milliardième de la durée d’une décharge de foudre.
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L’objectif à long terme de l’équipe est de piloter leur système avec un laser qu’ils développent actuellement et qui tient sur une table, et qui peut tirer de manière répétée à des milliers de fois par seconde, rendant l’ensemble de l’accélérateur beaucoup plus compact et utilisable dans des contextes beaucoup plus larges que les accélérateurs conventionnels.
En synthèse
Cette innovation dans le domaine des accélérateurs de particules pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications dans divers domaines, notamment les semi-conducteurs, l’imagerie médicale et la recherche sur les matériaux, l’énergie et la médecine. L’accélérateur de particules compact développé par l’équipe internationale de chercheurs est non seulement plus petit, mais aussi plus puissant que les accélérateurs conventionnels, ce qui pourrait permettre son utilisation dans un plus grand nombre de contextes.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ?
Un accélérateur de particules est un dispositif qui utilise des champs électriques pour propulser des particules chargées à des vitesses élevées et ainsi contenir ces particules dans des trajectoires bien définies.
Quelle est la nouveauté de cet accélérateur de particules ?
La nouveauté de cet accélérateur de particules réside dans sa taille compacte et sa capacité à produire un faisceau d’électrons avec une énergie de 10 milliards d’électrons volts (10 GeV), une performance généralement atteinte par des accélérateurs beaucoup plus grands.
Quelles sont les applications potentielles de cet accélérateur de particules ?
Les applications potentielles de cet accélérateur de particules comprennent le test de la résistance des électroniques destinées à l’espace face aux radiations, l’imagerie des structures internes en 3D de nouveaux designs de puces semi-conductrices, le développement de nouvelles thérapies contre le cancer et des techniques avancées d’imagerie médicale, entre autres.
Comment fonctionne cet accélérateur de particules ?
Cet accélérateur de particules fonctionne en utilisant un laser extrêmement puissant qui 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. L’avancée clé de cette équipe repose sur l’utilisation de nanoparticules.
Qui a soutenu cette recherche ?
Cette recherche a été soutenue par le Bureau de recherche scientifique de l’U.S. Air Force, le Département de l’énergie des États-Unis, le Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques du Royaume-Uni et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne.
Références
Légende illustration : Cette cellule à gaz est un élément clé d’un accélérateur laser compact à effet Wakefield développé à l’université du Texas à Austin. À l’intérieur, un laser extrêmement puissant frappe l’hélium gazeux, le chauffe pour en faire un plasma et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Crédit photo : Bjorn « Manuel » Hegelich.
Article : « The acceleration of a high-charge electron bunch to 10 GeV in a 10-cm nanoparticle-assisted wakefield accelerator » – DOi: 10.1063/5.0161687
