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 L'accélérateur plasma-laser pour demain ?

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Clavius
Soleil
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Clavius

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MessageSujet: L'accélérateur plasma-laser pour demain ?   L'accélérateur plasma-laser pour demain ? Icon_minitimeDim 19 Déc - 10:18

Salut

Des chercheurs travaillent à la mise au point d'un accélérateur de particules capable de supplanter les machines géantes actuelles. Dernières avancées…

L'ère de la démesure des accélérateurs de particules serait-elle révolue ? Depuis plus d'un demi-siècle, les scientifiques traquent les constituants élémentaires de la matière à l'aide de ces machines, toujours plus performantes, plus gigantesques et plus chères. En ce moment à Genève, se construit par exemple le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), un monstre de 27 kilomètres de circonférence, pour un coût de plusieurs milliards d'euros ! Mais les expériences qu'ont menées trois équipes indépendantes aux Etats-Unis, en Grande-Bretagne et en France pourraient bien un jour ramener les cyclotrons et autres synchrotrons à une échelle plus raisonnable. Grâce à une approche comparable, les trois groupes de chercheurs ont réussi à accélérer des électrons respectivement à 70, 80 et 170 MeV (méga électron-Volt) en quelques millimètres, alors qu'il faudrait plusieurs dizaines de mètres avec un accélérateur conventionnel.

La 'recette magique' pour en arriver là s'appelle "laser-plasma". Ce sont les physiciens Toshi Tajima et John Dawson qui les premiers ont proposé il y a 25 ans d'utiliser des plasmas* créés par laser pour accélérer des particules. Le principe consiste à produire des ondes dans un plasma à l'aide de très brefs et puissants faisceaux laser ; des électrons (ou leur contrepartie des positrons) surfent alors littéralement sur le champ électrique engendré, qui leur communique de la vitesse.

Deux mécanismes ont été proposés pour générer ce type d'ondes : le battement d'onde et le sillage laser. Dans la première méthode, les physiciens utilisent le battement de deux lasers à des fréquences légèrement différentes ce qui permet d'établir un train d'impulsions qui excitera de façon résonante l'onde plasma destinée à l'accélération des particules. Mais cette solution n'est pas la plus efficace et les plus récents travaux n'y ont généralement pas recours. La technique retenue par les Français du Laboratoire d'optique appliquée (LOA)** s'inspire quant à elle du sillage classique. Elle a été baptisée "sillage forcé". "On part d'une seule impulsion qui est quasi-résonante avec l'onde plasma ? c'est-à-dire que la durée de l'impulsion est approximativement égale à la période de l'onde, explique Jérôme Faure, membre de l'équipe. En pratique, Victor Malka et ses collègues ont commencé par focaliser un laser ultra-intense (de 50 millions de millions de Watts) sur un jet de gaz. Sous cette impulsion d'une très forte intensité, le gaz s'ionise instantanément. "L'impulsion laser, d'une durée de 30 femtosecondes (10 puissance moins 15 seconde), est si forte qu'elle est capable d'exciter une onde plasma de très grande amplitude", décrit Jérôme Faure.

En fait, on peut comparer la situation à celle d'un bateau qui navigue sur un lac. L'embarcation crée une vague dans son sillage et si cette vague est suffisamment importante, des surfeurs peuvent s'en servir pour gagner de la vitesse. "Ce que nous avons réalisé dans notre expérience, c'est générer une énorme onde derrière l'impulsion laser et nous en servir pour accélérer les électrons, en les mettant tous à la même position et à la même vitesse". Ce dernier point est particulièrement fondamental. En effet, dans toutes les études précédentes, la méthode laser-plasma produisait bien des faisceaux mais de mauvaise qualité, qui contenaient des électrons de vitesses et d'angles de divergence différents. Or de tels faisceaux sont difficiles à exploiter puisqu'on ne peut ni les propager ni les focaliser. "En utilisant le sillage forcé, nous avons pu contrôler les mécanismes d'injection des électrons dans l'onde plasma. Ces derniers ont tous été piégés au même endroit ce qui a permis de leur communiquer à tous la même vitesse et le même angle de divergence". Le faisceau d'électrons ainsi obtenu est beaucoup plus "propre" et contrôlable.

Des accélérateurs de particules qui fonctionneraient sur ce principe seraient moins coûteux, plus compacts et sûrement d'une grande aide dans les domaines d'applications scientifiques et médicales. Mais avant, il reste à assurer la stabilité du phénomène et à accroître encore les longueurs d'accélération jusqu'au centimètre de façon à générer des électrons au niveau du GeV. Le mini-synchrotron à portée de-main ?…

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