Un accélérateur de particules compact crée un faisceau d’électrons d’une énergie record

Des physiciens du Lawrence Berkeley National Lab utilisant l’un des lasers les plus puissants au monde ont accéléré des électrons jusqu’aux énergies les plus élevées jamais enregistrées à partir d’un accélérateur compact – 4,25 milliards d’électron-volts (giga-électron-volts ou GeV).

Un guide d'ondes à décharge capillaire de 9 cm de long utilisé dans les expériences BELLA pour générer un faisceau d'électrons de 4,25 GeV. Crédit image : Roy Kaltschmidt.

Guide d’ondes à décharge capillaire de 9 cm de long utilisé dans les expériences BELLA pour générer un faisceau d’électrons de 4,25 GeV. Crédit photo : Roy Kaltschmidt.

Les énergies record ont été obtenues à l’aide de l’accélérateur laser de Berkeley Lab (BELLA), qui produit un quadrillion de watts de puissance et a commencé à fonctionner tout juste en 2013.

L’équipe, dirigée par le Dr Wim Leemans, a accéléré les particules à l’intérieur d’un tube de plasma de 9 cm de long. La vitesse correspondait à une énergie de 4,25 GeV.

L’accélération sur une distance aussi courte correspond à un gradient d’énergie mille fois supérieur à celui des accélérateurs de particules traditionnels et marque un record mondial d’énergie pour les accélérateurs laser-plasma.

“Ce résultat nécessite un contrôle exquis du laser et du plasma”, a déclaré le Dr Leemans, qui est le premier auteur d’un article publié dans la revue Physical Review Letters.

Les accélérateurs de particules traditionnels, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN, accélèrent les particules en modulant les champs électriques à l’intérieur d’une cavité métallique. La limite de cette technique est d’environ 100 mégaélectronvolts par mètre avant que le métal ne se brise.

Les accélérateurs laser-plasma ont une approche complètement différente. Dans le cas de cette expérience, une impulsion de lumière laser est injectée dans un tube court et fin en forme de paille qui contient du plasma.

Le laser crée un canal à travers le plasma ainsi que des ondes qui piègent les électrons libres et les accélèrent à des énergies élevées.

C’est similaire à la façon dont un surfeur prend de la vitesse en descendant la face d’une vague.

Afin d’accélérer les électrons à des énergies encore plus élevées – l’objectif à court terme est de 10 Gev – le Dr Leemans et ses collaborateurs devront contrôler plus précisément la densité du canal de plasma dans lequel circule la lumière laser. En fait, ils doivent créer un tunnel pour l’impulsion lumineuse qui a la forme idéale pour traiter des électrons plus énergiques.

“Les travaux futurs permettront de démontrer une nouvelle technique de mise en forme des canaux de plasma”, a déclaré le Dr Leemans.

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