Prise de vue à 360 degrés de l'accélérateur AWAKE au CERN, Le laboratoire européen de physique des particules situé près de Genève, La Suisse. Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/2018 CERN

Pour les physiciens qui souhaitent étudier les particules subatomiques qui sont les éléments de base de l'univers et découvrir comment elles interagissent, un accélérateur de particules - un appareil massif qui accélère et dynamise les particules et les fait entrer en collision - est un outil vraiment important. Imaginez un accélérateur comme un microscope de la taille d'une montagne, capable d'étudier les plus petites choses qui existent.

"Les accélérateurs sont les microscopes ultimes, " Mark J. Hogan, un physicien au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, Californie, explique dans un e-mail. "Leur pouvoir de résolution est proportionnel à l'énergie des faisceaux de particules. Les machines actuelles qui fonctionnent à la frontière de l'énergie sont des monuments de l'ingénierie humaine. Ces machines ont une étendue de dizaines de kilomètres mais contrôlent leurs faisceaux à des fractions du diamètre d'un cheveu humain. "

C'est pourquoi avec un accélérateur, plus grand a toujours été mieux. Si vous êtes même un passionné de science occasionnel, vous avez probablement entendu parler du grand accélérateur de papa de tous, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, Le laboratoire européen de physique des particules près de Genève, La Suisse. Peut-être la machine la plus complexe jamais créée, le LHC a un énorme, Piste de 17 milles (27,35 kilomètres) qu'il utilise pour accélérer les particules. Les scientifiques ont utilisé le LHC en 2012 pour observer le boson de Higgs, une particule qui aide à expliquer pourquoi d'autres particules ont une masse et pourquoi les choses se tiennent ensemble.

Plus petit et moins cher

Un problème avec les très gros accélérateurs de particules, bien que, est qu'ils sont incroyablement chers et consomment des quantités massives d'électricité. Le LHC, par exemple, a coûté 4,1 milliards de dollars rien que pour la construction. Donc, ce que les physiciens aimeraient vraiment avoir, c'est un moyen de faire le travail qui ne soit pas aussi énorme et coûteux.

C'est pourquoi il y a eu tant d'enthousiasme à propos de la nouvelle selon laquelle des chercheurs du CERN ont testé avec succès une nouvelle façon d'accélérer des électrons à des énergies élevées grâce à l'accélération du champ de sillage du plasma piloté par des protons. La méthode consiste à utiliser des amas intenses de protons pour générer des ondes dans le plasma, une soupe d'atomes ionisés. Les électrons chevauchent alors les vagues pour accélérer, comme s'ils étaient des surfeurs à l'échelle subatomique.

Lors d'un test avec l'Advanced Wakefield Experiment (AWAKE) en mai, Les chercheurs du CERN ont réussi à utiliser la méthode pour accélérer des électrons à des énergies de 2 gigaélectronvolts (GeV) sur une distance de 10 mètres (32,8 pieds).

Voici une vidéo dans laquelle Edda Gschwendtner, Chef de projet CERN AWAKE, explique le concept des accélérateurs, et pourquoi un accélérateur de champ de sillage plasma piloté par des protéines est une percée si importante :

D'autres chercheurs ont salué la réussite du CERN. "Cette technique pourrait permettre aux installations du CERN de disposer d'un nouveau moyen compact de produire des électrons à haute énergie qui pourraient entrer en collision avec des cibles fixes ou des faisceaux de protons pour créer un nouvel outil permettant aux physiciens des particules de comprendre les particules fondamentales et les forces qui régissent leurs interactions, " dit Hogan.

"Ce résultat est important pour l'avenir de la physique des hautes énergies car il peut ouvrir la voie à un accélérateur d'électrons compact de 1 TeV basé sur l'accélération du champ de sillage du plasma, " explique James Rosenzweig, professeur de dynamique des accélérateurs et des faisceaux à l'UCLA, et directeur du laboratoire de physique des faisceaux de particules de l'université. « Du point de vue de l'introduction des principes physiques, cette expérience est une première :elle introduit des champs de sillage de plasma excités par des faisceaux de protons.

« Le principal avantage des accélérateurs à plasma se trouve dans les grands champs électriques d'accélération qui peuvent être pris en charge - jusqu'à 1, 000 fois plus grand que dans les accélérateurs conventionnels. L'utilisation de protons permet en principe des faisceaux avec une énergie totale disponible beaucoup plus grande pour l'accélération, ", dit Rosenzweig par e-mail.

L'équipe de Hogan au SLAC a développé une méthode différente d'accélération du champ de sillage plasma, qui repose sur des paquets d'électrons insérés dans le plasma pour créer des ondes sur lesquelles d'autres électrons peuvent monter. Mais quelle que soit la méthode utilisée, plasma offre un moyen de dépasser les contraintes des accélérateurs conventionnels.

"Avec toute leur précision et leur succès, bien que, ces machines approchent des limites de taille et de coût que la société peut se permettre, " dit Hogan. "Pour les machines qui accélèrent les électrons, la taille est liée au taux maximum auquel nous pouvons ajouter de l'énergie aux particules. Utilisant des technologies conventionnelles avec des structures métalliques, nous ne pouvons pas augmenter ce taux davantage car les champs deviennent si grands que les matériaux se décomposent sous les forces extrêmes. Un plasma, un gaz ionisé, est déjà décomposé et peut supporter des champs beaucoup plus grands et lorsqu'il est manipulé correctement, peut ajouter de l'énergie aux faisceaux de particules à un rythme beaucoup plus important et ainsi, en principe, atteindre la frontière de l'énergie dans une empreinte plus petite.

"De nombreux groupes ont montré que nous pouvons utiliser des plasmas pour fabriquer des paquets énergétiques d'électrons, " dit Hogan. " Une grande partie de la prochaine génération de recherche vise à démontrer que nous pouvons le faire tout en fabriquant simultanément des poutres d'une qualité et d'une stabilité équivalentes aux technologies conventionnelles. D'autres problèmes de recherche sont de réfléchir à la manière d'enchaîner plusieurs plasmocytes consécutifs pour atteindre des énergies très élevées. D'autres défis consistent à comprendre comment accélérer les positons, l'antimatière équivalente aux électrons dans un plasma. Regarder vers l'avant, de nombreux groupes, y compris mes collègues du SLAC, espèrent développer des faisceaux à haute énergie avec des qualités supérieures qui ouvriront la porte à de nouveaux instruments scientifiques au cours de la prochaine décennie et au-delà."

Un porte-parole d'AWAKE a déclaré au magazine Science que les chercheurs espèrent développer la technologie au cours des cinq prochaines années, au point où il pourrait être utilisé pour la recherche en physique des particules.

Maintenant c'est intéressant

Comme le détaille le magazine Horizon de l'Union européenne, les scientifiques ont également envisagé de construire un accélérateur de particules conventionnel trois fois plus grand que le LHC. L'appareil aurait la capacité de briser les particules ensemble en les énergisant avec l'équivalent de 10 millions de coups de foudre.