Une énigme exceptionnelle sur ce qui arrive à l'énergie laser après que les faisceaux sont tirés dans le plasma a été résolue dans une recherche récemment publiée à l'Université de Strathclyde.

L'étude a découvert que les mêmes forces qui produisent une bulle dans le plasma dans l'accélérateur de champ de sillage laser-plasma produisent deux faisceaux d'électrons supplémentaires à faible énergie mais à charge élevée simultanément avec un faisceau à haute énergie à faible charge. Ces faisceaux à haute charge peuvent avoir mille fois plus de charge que le faisceau à haute énergie.

Plasma, l'état dans lequel la quasi-totalité de l'univers existe, peut supporter des champs électriques qui sont 1, 000 à 10, 000 fois plus élevé que dans les accélérateurs conventionnels, simplement en séparant les particules chargées positives et négatives qui composent le milieu plasma, qui est quasi neutre.

Ceci peut facilement être réalisé en utilisant une impulsion laser intense, dont la légère pression repousse les électrons, laissant derrière eux les ions beaucoup plus lourds qui restent en place et exercent une force d'attraction sur les électrons déplacés. Les électrons déplacés oscillent alors autour des ions stationnaires entraînant un sillage derrière l'impulsion laser, d'une manière similaire au sillage derrière un bateau.

Parce que l'impulsion laser se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide, le sillage peut suivre et accélérer des particules chargées rapidement à de très hautes énergies, sur des longueurs extrêmement courtes.

Le document de recherche, intitulé Trois faisceaux d'électrons d'un accélérateur de champ de sillage laser-plasma et la question de la répartition de l'énergie, a été publié dans Rapports scientifiques .

Professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de Strathclyde, dirigé l'étude. Il a dit :" L'impulsion laser intense que nous avons utilisée, et l'accélération du sillage qu'il crée, conduire à un accélérateur de champ de sillage laser très compact, qui mesure des millimètres de long, plutôt que des dizaines de mètres de long, pour un accélérateur conventionnel équivalent. Le sillage du plasma se transforme en quelque chose comme une bulle, accélérateur miniature Van de Graaf alimenté par laser, qui se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.

"Une partie de l'énergie laser est convertie en énergie électrostatique de la bulle de plasma, qui a un diamètre de plusieurs microns. Les accélérateurs conventionnels stockent leur énergie micro-onde dans des cavités en cuivre ou supraconductrices, qui ont une capacité de charge limitée.

"Une énigme intéressante qui n'a pas été envisagée auparavant est la question de savoir où va l'énergie laser après avoir été déposée dans le plasma. Nous savons où va une partie de cette énergie en raison de la présence d'électrons de haute énergie émis dans un étroit, faisceau dirigé vers l'avant.

"L'un de ces faisceaux est émis par une action de fronde dans un large cône dirigé vers l'avant, avec plusieurs énergies MeV (méga électron-volt) et une charge de niveau nanocoulomb. Paradoxalement, un autre faisceau est émis vers l'arrière, qui a une charge similaire mais une énergie d'environ 200 keV (kilo électron-volt). Ces faisceaux emportent une quantité importante d'énergie de la bulle de plasma.

"Il est intéressant d'observer que répondre à une question très basique - où va l'énergie laser ? - apporte des réponses surprenantes et paradoxales. L'introduction d'une nouvelle technologie, comme l'accélérateur laser-wakefield, peut changer notre perception des accélérateurs. Le résultat est une source très nouvelle de plusieurs faisceaux de particules de charge émis simultanément.

"Mon groupe de recherche a montré que l'accélérateur de champ de sillage produit trois faisceaux, dont deux à faible énergie et à charge élevée, et le troisième, haute énergie et faible charge."

Docteur Enrico Brunetti, chercheur au département de physique de Strathclyde et membre du groupe de recherche, a déclaré:"Ces faisceaux peuvent fournir un flux élevé utile d'électrons ou de photons de bremsstrahlung sur une grande surface, qui peut être utilisé pour des applications d'imagerie, ou pour enquêter sur les dommages causés par les radiations aux matériaux. S'il n'est pas correctement vidé, ils peuvent, cependant, avoir des effets secondaires indésirables, comme endommager des équipements placés à proximité de l'accélérateur.

« C'est une préoccupation particulière pour les accélérateurs plus longs, qui utilisent souvent des guides d'ondes plasma à base de capillaires pour guider le faisceau laser sur de longues distances. Ces basse énergie, les faisceaux de charge élevée transportent également une grande quantité d'énergie loin du plasma, fixant une limite à l'efficacité des accélérateurs laser-champ de sillage.

"C'est un problème qui doit être pris en compte dans la conception et la construction futures des accélérateurs laser-champ de sillage."