Un ensemble de nouveaux systèmes laser et des mises à niveau proposées au laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie (DOE) propulseront les plans à long terme pour un collisionneur de particules à ultra haute énergie plus compact et abordable.

Les progrès sur ces systèmes laser et les accélérateurs à laser pourraient également avoir de nombreuses retombées, comme un nouvel outil de chasse aux matières radioactives, et un système laser à électrons libres miniaturisé et hautement réglable permettant une gamme d'expériences scientifiques.

Ces efforts sont décrits dans un rapport d'atelier parrainé par le DOE qui se concentre sur un ensemble de feuilles de route sur 10 ans conçues pour lancer la R&D dans la conduite d'un collisionneur de particules de nouvelle génération pour la physique des hautes énergies. L'objectif ultime est une machine capable d'explorer la physique au-delà de la portée du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Le collisionneur le plus puissant d'aujourd'hui, le LHC a permis la découverte du boson de Higgs qui lui a valu le prix Nobel de physique en 2013.

Le LHC, avec un anneau principal de 17 milles de circonférence, entre en collision des protons (particules subatomiques libérées du centre des atomes) à des énergies de collision pouvant atteindre 13 000 milliards d'électronvolts (13 TeV).

Pendant ce temps, les propositions de collisionneurs linéaires de prochaine génération feraient entrer en collision des électrons et leurs antiparticules, positons, à des énergies plus basses, de quelques centaines de milliards d'électronvolts (GeV) à quelques TeV. Et tandis que les énergies de collision de ces machines seraient inférieures à celles du LHC, la physique de leurs collisions électron-positon serait complémentaire, permettant plus spécifique, mesures détaillées de certaines propriétés et phénomènes des particules.

Construire un collisionneur électron-positon de niveau TeV avec la technologie d'accélérateur d'aujourd'hui est possible mais serait coûteux en raison de sa grande taille (son empreinte mesurerait probablement plus de 20 miles).

Dans un effort pour réduire la portée et le coût associé d'un collisionneur de nouvelle génération, le Bureau de la physique des hautes énergies au sein du Bureau des sciences du DOE a réuni plus de deux douzaines d'experts du DOE et de tout le pays pour préparer un rapport sur la stratégie de développement des accélérateurs avancés qui fixe des objectifs pour trois technologies d'accélérateurs potentiellement révolutionnaires au cours des 10 prochaines années.

Entre autres recommandations, le rapport souligne le besoin de R&D chez BELLA, l'accélérateur laser de Berkeley Lab, qui est basé sur l'une de ces trois technologies :un accélérateur de champ de sillage à plasma (LWFA) à commande laser. Cette forme d'accélération utilise un laser ou des lasers pour accélérer les électrons à des énergies élevées.

Deux autres concepts d'accélération de champ de sillage en cours de développement, l'un pour un accélérateur piloté par faisceau de particules, l'autre pour un accélérateur diélectrique de champ de sillage - sont également inclus dans la feuille de route.

D'autres techniques d'accélération sont en cours de développement qui sortent du cadre du rapport, y compris un effort de R&D basé au CERN appelé AWAKE qui explore l'accélération du champ de sillage du plasma entraîné par des protons.

Les nouvelles approches de l'accélération des particules approuvées dans le rapport offrent toutes des moyens potentiels de réduire les accélérateurs de particules à haute énergie en créant des ondes denses de plasmas—formées dans des gaz hautement chargés, qui accélèrent rapidement des paquets d'électrons placés avec précision, comme un surfeur chevauchant une vague océanique.

Les chercheurs de BELLA ont déjà démontré une configuration LWFA modulaire pour atteindre des énergies élevées, et travaillent maintenant à l'améliorer. L'objectif à court terme décrit dans le rapport est d'atteindre des énergies de faisceau d'électrons de 10 GeV, par rapport au record du monde actuel de BELLA de 4,3 GeV.

"Une fois que nous aurons des faisceaux de 10 GeV, cela ouvrira de nouvelles perspectives. Ce sera un grand pas en avant, " a déclaré Wim Leemans, directeur de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée du laboratoire. L'objectif de 10 GeV est significatif car il représente un seuil d'énergie pour générer des faisceaux de positons à forte charge, qui serait nécessaire pour un collisionneur de prochaine génération.

La feuille de route LWFA, Leemans a dit, "nous donne un point d'ancrage dans l'ensemble du programme d'accélérateurs" décrit pour le complexe de laboratoire national du DOE.

L'équipe BELLA poursuivra deux approches différentes pour atteindre cet objectif de 10 GeV :une configuration à un seul étage d'accélérateur utilisant un seul laser, et une approche en deux étapes avec deux lasers séparés.

La première étape portera l'énergie du faisceau d'électrons à 5 GeV, et le deuxième étage accélérera le faisceau de 5 GeV supplémentaires, à 10 GeV. La deuxième ligne de lumière BELLA pour la configuration à deux faisceaux pourrait être construite d'ici la fin de 2018, comme indiqué dans le rapport de la feuille de route, à condition que le financement soit disponible.

Le rapport note qu'en plus des progrès de la technologie des accélérateurs, il doit également y avoir de nouveaux développements dans la technologie laser, et des équipements de soutien tels que des miroirs, pour réaliser ce nouveau type de collisionneur.

BELLA utilise désormais des cristaux de saphir dopés au titane pour produire sa lumière laser. Pour atteindre des énergies bien plus élevées, et puissance moyenne du faisceau, le rapport du DOE recommande de poursuivre d'autres types de lasers, comme la fibre optique, état solide, ou des lasers à dioxyde de carbone, entre autres approches.

Un défi technologique clé pour BELLA est de rendre ses impulsions plus rapides, passant d'un taux de courant d'environ 1 impulsion par seconde à un taux d'environ 1, 000 par seconde, ou 1 kilohertz (dans un futur développement baptisé "K-BELLA").

Finalement, un pouls de 10, 000 ou 100, 000 par seconde serait idéal pour un collisionneur de nouvelle génération, dit Carl Schroeder, un scientifique senior du Berkeley Lab qui dirige les efforts théoriques et de modélisation pour les expériences BELLA et a travaillé sur les conceptions conceptuelles et la modélisation de ce collisionneur LWFA.

Si son effort de R&D est couronné de succès, L'énergie maximale de BELLA devrait être suffisante pour atteindre le cap des 10 GeV d'accélération, dit Anthony Gonsalves, un scientifique du Berkeley Lab qui travaille sur BELLA. "Nous avons beaucoup de place dans le" réservoir "-il y a beaucoup de marge d'énergie que nous n'avons même pas encore explorée."

Outre les travaux visant à développer des approches à un et deux faisceaux pour une LWFA de 10 GeV, le développement par le Lab d'un nouveau Un type compact de laser à électrons libres (FEL) et une source de rayons gamma portable distincte - qui commenceront les tests l'année prochaine - pourraient être les premières applications importantes de la technologie LWFA si les efforts s'avèrent fructueux.

Les FEL sont des sources de lumière hautement accordables qui peuvent aider à explorer la matière jusqu'aux échelles atomique et moléculaire avec des impulsions ultra-brillantes mesurées en femtosecondes, ou des quadrillions de seconde. Le projet FEL vise à miniaturiser les FEL à rayons X en remplaçant une structure accélératrice classique d'un kilomètre de long par un accélérateur à champ de sillage de moins de 10 mètres de long.

La source de rayons gamma à base de plasma, pendant ce temps, pourrait s'avérer être un outil utile et portable pour la détection de matières nucléaires.

Schroeder a dit, « Le FEL et la source de rayons gamma sont reconnus comme les premières applications de cette technologie. Les systèmes laser pour ces expériences seront mis en service cet hiver.

« La feuille de route présente un riche programme pour la prochaine décennie, " a ajouté Leemans. " Des concepts clés sont en cours de développement pour les futurs collisionneurs à plasma, et BELLA, avec des mises à niveau, permettra de tester et de développer bon nombre de ces concepts. »