Particules énergétiques

La génération de faisceaux de particules énergétiques (électrons, protons, ions, neutrons, particules alpha) est restée pendant des décennies le domaine des grands accélérateurs de particules basés sur l’accélération radiofréquence (RF). Ces accélérateurs sont utilisés dans de nombreux domaines, allant de la médecine à la physique des particules, de la radio-biologie ou la physique de la matière condensée. Cette technologie développée depuis environ un demi-siècle a fait ses preuves: elle permet de produire des faisceaux d'électrons, positrons ou ions avec une grande stabilité et avec des faisceaux de très grande qualité.  Le champ accélérateur dans ces cavités radio-fréquences étant limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, les accélérateurs ont tendance à être de grande taille. A titre d’exemple, le successeur du Large Hadron Collider du CERN sera l'International Linear Collider pour accélérer des électrons et des positrons à 250 GeV sur 31 km. On comprend que dans ce contexte, il soit important de chercher des solutions alternatives plus compactes.

 

         

 

Une véritable révolution s’est opérée il y a quelques années grâce à la physique des plasmas produite par l’interaction d’un laser femtoseconde intense avec un solide ou un gaz. Les intensités crêtes obtenues sur cible (supérieures à 1018 W/cm2) ont permis de générer des faisceaux de particules énergétiques accélérés dans un plasma. Les plasmas étant des milieux ionisés, les problèmes de claquage limitant le champ des cavités RF ne se posent plus et des champs électriques très intenses peuvent s'y propager. On est ainsi capable de produire des champs électriques de l'ordre de quelques centaines de gigavolts par mètre, soit plus de 10 000 fois plus élevés que les champs utilisés dans les accélérateurs conventionnels. On espère ainsi, en utilisant des plasmas, réduire la longueur d'accélération de plusieurs ordres de grandeur.

 

Les ondes plasmas produites dans le sillage d'une impulsion laser femtoseconde intense peuvent être simulées par des codes numériques. Le laser (en orange) perturbe la distribution des électrons libres du plasma au cours de sa propagation dans le gaz. Cela génère des cavités ioniques vierge d'électron dans sont sillage. Suite aux forces électrostatiques générées par la séparation de charge permet d'accélérer les électrons piégés dans cette cavité.

 

Le LOA est un leader mondial dans ce domaine. En particulier, les activités du groupe SPL a démontré notamment la faisabilité de cette technique ainsi que l’injection optique permettant de produire des faisceaux stables, propriété indispensable à l’utilisation concrète de ces faisceaux de particules.

Actuellement, les accélérateurs laser-plasma générés dans des gaz permettent par exemple d'accélérer des électrons à des énergies de quelques centaines de MeV à 1 GeV sur des distances millimétriques. Bien que nous soyons encore loin des énergies nécessaires à la physique des particules, ces nouvelles sources d'électrons possèdent des propriétés particulières: elles produisent des paquets d'électrons ultra-brefs (100 fs) émanant d'un point source extrêmement petit (de quelques micromètres seulement).

La brièveté des paquets d'électrons ouvre la voie à des applications concrètes qui requièrent une résolution temporelle sous la centaine de femtosecondes comme par exemple le développement de laser à électrons libres compact dans le domaine du rayonnement X ou la radiolyse femtoseconde en biochimie.

 

La méthode de l'injection optique permet de contrôler l'énergie et la dynamique de piégeage dans la cavité ionique des électrons qui vont être accélérés. Dans le cas des expériences du LOA, un laser contre-propagatif est utilisé. La stabilité tir après tir du faisceau d'électron ainsi produit est grandement amélioré, ce qui est une étape importante pour pouvoir utiliser de manière concrète ces faisceaux d'électrons.

print Fond clair, écriture sombre English