Une expérience marquante à 10 GeV met en lumière les interactions laser-plasma

Les accélérateurs de particules, des instruments scientifiques souvent associés à des infrastructures gigantesques, pourraient bientôt voir leurs dimensions considérablement réduites. Des chercheurs du Berkeley Lab Laser Accelerator Center ont récemment démontré qu’il est possible d’accélérer des électrons à des énergies très élevées sur des distances extrêmement courtes. Cette découverte pourrait transformer le paysage de la physique des particules, de la médecine, et bien d’autres domaines. Mais comment cela fonctionne-t-il exactement, et quelles sont les implications pour la recherche future ?

À l’aide de deux lasers, des chercheurs du Berkeley Lab Laser Accelerator Center ont accéléré un faisceau d’électrons de haute qualité à 10 milliards d’électronvolts sur une distance de seulement 30 centimètres. Cette expérience leur a permis d’observer «image par image» l’interaction entre un laser pétawatt et un canal de plasma long, ce qui est essentiel pour la conception des futurs accélérateurs de particules compacts.

Le procédé d’accélération par plasma

Les scientifiques ont employé une paire de lasers et une feuille de gaz supersonique pour accélérer des électrons à des énergies élevées en moins d’un pied. Ce développement illustre une méthode prometteuse pour créer des accélérateurs de particules compacts à haute énergie, avec des applications potentielles dans la physique des particules, la médecine et les sciences des matériaux.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs a réussi à accélérer des faisceaux d’électrons de haute qualité à plus de 10 milliards d’électronvolts (10 gigaelectronvolts ou GeV) sur 30 centimètres. Cette recherche s’est déroulée au Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA), qui avait déjà établi un record mondial avec des électrons à 8 GeV sur 20 centimètres en 2019. Il ne s’agit pas seulement d’une augmentation de l’énergie des faisceaux, mais aussi de la production pour la première fois d’un faisceau de haute qualité à ce niveau d’énergie, ouvrant la voie à des machines futures à haute efficacité.

«Nous sommes passés de 8 GeV à 10 GeV, mais nous avons aussi considérablement amélioré la qualité et l’efficacité énergétique en changeant la technologie utilisée,» a indiqué Alex Picksley, auteur principal de l’étude et scientifique de recherche au sein de la division Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) de Berkeley Lab. Cette étape marque un progrès significatif vers un futur collisionneur basé sur le plasma.

Les accélérateurs laser-plasma (LPAs) utilisent le plasma, un gaz chargé de particules incluant des électrons. En donnant au plasma une impulsion énergétique intense sur quelques quadrillionièmes de seconde, les chercheurs créent une onde puissante. Les électrons chevauchent la crête de cette onde de plasma, accumulant de l’énergie comme un surfeur sur une vague.

Le système à double laser

Ce résultat récent a été rendu possible par l’achèvement d’une deuxième ligne de faisceau au BELLA en 2022. Dans ce système, le premier laser agit comme une perceuse, chauffant le plasma et formant un canal qui guide le pouls laser «d’entraînement» suivant, qui accélère les électrons. Le canal de plasma dirige l’énergie du laser de manière similaire à la façon dont un câble à fibre optique guide la lumière, maintenant le pouls laser focalisé sur de plus longues distances.

Précédemment, les chercheurs façonnaient le plasma avec des tubes en verre ou en saphir de longueur fixe appelés «capillaires». Mais dans le nouveau résultat, l’équipe a opté pour un système utilisant une série de jets de gaz, disposés comme les jets d’un foyer à gaz. Les jets créent une feuille de gaz voyageant à des vitesses supersoniques, que les lasers traversent pour former un canal de plasma. Cet agencement permet aux chercheurs de régler finement leur plasma et d’en changer la longueur, permettant ainsi une étude du processus à différents stades avec une précision inégalée.

«Avant, le plasma était essentiellement une boîte noire,» a expliqué Carlo Benedetti, scientifique de l’ATAP à BELLA, qui travaille sur la théorie et la modélisation des accélérateurs laser-plasma. « On savait ce qu’on y mettait et ce qui en sortait à la fin. C’est la première fois que nous pouvons capturer ce qui se passe à l’intérieur de l’accélérateur à chaque point, montrant comment l’onde laser et plasma évolue, à haute puissance, image par image. »

Ces connaissances permettent aux chercheurs de comparer leurs modèles et expériences, leur donnant confiance dans leur compréhension de la physique en jeu et des outils pour ajuster l’accélérateur. Pour simuler cette interaction, les experts utilisent un code nommé INF&RNO, développé à BELLA. Les calculs complexes sont exécutés au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) de Berkeley Lab. Les nouvelles découvertes aident à valider le code utilisé dans ces simulations, renforçant encore les modèles.

Les applications et les perspectives

Le système de jet de gaz offre également un autre avantage : la résilience. Comme la feuille de gaz n’a pas de pièces à casser, la technologie peut être mise à l’échelle pour des taux de répétition très élevés, sur lesquels le laboratoire travaille en vue de futurs collisionneurs de particules et d’applications.

Les chercheurs ont également démontré que leur approche produisait un faisceau «sans courant sombre», signifiant que les électrons de fond du plasma n’étaient pas accélérés involontairement. «Si vous avez des courants sombres, ils consomment l’énergie du laser au lieu d’accélérer votre faisceau d’électrons,» a commenté Jeroen van Tilborg, scientifique de l’ATAP et directeur adjoint en charge du programme expérimental de BELLA. «Nous avons atteint un point où nous pouvons contrôler notre accélérateur et supprimer les effets indésirables, donc nous créons un faisceau de haute qualité sans gaspiller d’énergie. C’est essentiel lorsque nous pensons à l’accélérateur laser idéal de l’avenir.»

La technologie présente un large éventail d’applications potentielles, notamment pour produire des faisceaux de particules pour le traitement du cancer, ou pour alimenter des lasers à électrons libres agissant comme des microscopes atomiques, aidant à créer des matériaux avancés et à obtenir des perspectives sur les processus chimiques et biologiques.

«Nous avons fait un grand pas vers l’activation des applications de ces accélérateurs compacts,» a affirmé Anthony Gonsalves, scientifique de l’ATAP qui dirige le travail sur les accélérateurs à BELLA. «Pour moi, la beauté de ce résultat est que nous avons éliminé les restrictions sur la forme du plasma qui limitaient l’efficacité et la qualité du faisceau. Nous avons construit une plateforme à partir de laquelle nous pouvons apporter de grandes améliorations et nous sommes prêts à réaliser le potentiel incroyable des accélérateurs laser-plasma.»

Légende illustration : Les experts du Centre BELLA ont utilisé deux faisceaux laser focalisés sur une feuille de gaz pour atteindre une étape importante en matière d’énergie dans l’accélération d’électrons par laser. Quatre membres de l’équipe se sont réunis autour du dispositif utilisé pour créer la nappe de gaz : (de gauche à droite) Alexander Picksley, Jeroen van Tilborg, Carlo Benedetti et Anthony Gonsalves. Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Article : « Matched Guiding and Controlled Injection in Dark-Current-Free, 10-GeV-Class, Channel-Guided Laser-Plasma Accelerators » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.255001 – DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory – Publication dans la revue Physical Review Letters /