Le laser le plus intense au monde est sur le point d'obtenir une mise à niveau de puissance avec 2 millions de dollars de la National Science Foundation.

Avec plus d'énergie laser pour se concentrer, des chercheurs de l'Université du Michigan et des collaborateurs du monde entier peuvent fabriquer de meilleurs appareils de table qui produisent des faisceaux de particules et de rayons X pour des applications médicales et de sécurité nationale, et également explorer les mystères de l'astrophysique et du domaine quantique.

La puissance du laser HERCULES provient d'une série de cinq lasers « pompe » intégrés qui amplifient les impulsions lumineuses ultracourtes. Pour faire passer la puissance d'HERCULES de 300 000 milliards de watts, ou térawatts (TW), à 500 voire 1, 000 TW, les chercheurs remplaceront les trois derniers de ces lasers à pompe.

Si HERCULES peut atteindre 1, 000 TW, il serait à nouveau parmi les lasers les plus puissants des États-Unis. la montée en puissance augmentera la mise sur son record d'intensité - actuellement 20 sextillions (2x1022) watts par centimètre carré. L'HERCULES amélioré devrait être capable de doubler voire tripler cette intensité.

Il y a une décennie, lorsque les ingénieurs du Michigan ont construit HERCULES pour la première fois, les lasers à pompe commerciaux sur lesquels repose le système n'ont pas pu atteindre les 300 TW ambitieux – un record à l'époque – que les chercheurs avaient en tête. Ils ont dû construire leurs propres lasers à pompe. Maintenant, portée par une demande de projets internationaux recherchant des niveaux de puissance au nord de 10, 000 TW, les lasers à pompe commerciaux peuvent surpasser les versions maison qui fonctionnent dans HERCULES aujourd'hui. Cette nouvelle technologie est ce qui poussera HERCULES à une puissance et une intensité plus élevées que jamais.

"Cette mise à niveau permet une grande variété d'expériences différentes, " a déclaré Karl Krushelnick, professeur U-M de génie nucléaire et de science radiologique et directeur du Center for Ultrafast Optical Science, qui abrite HERCULES. "Il y a ces applications passionnantes, et il ouvre aussi un nouveau régime à la frontière même de la physique des plasmas, où les phénomènes quantiques commencent à jouer un rôle important."

C'est ce à quoi les chercheurs doivent s'attendre :

• Accélérateurs de table :les accélérateurs de particules conventionnels mesurent souvent des centaines de mètres de long, mais la lumière laser peut alimenter l'accélération des particules et produire d'autres faisceaux à haute énergie tels que les rayons X dans quelques mètres carrés ou moins. À l'avenir, les accélérateurs de particules à laser peuvent aider à révéler une nouvelle physique ou à piloter des lasers à rayons X ultra-compacts. Les faisceaux de particules et de rayons X peuvent également être utilisés pour déterminer la présence de matières nucléaires dans les conteneurs maritimes arrivant dans les ports. Ils sont utilisés pour des traitements médicaux tels que la radiothérapie.
• Rayons X qui différencient les tissus mous :les faisceaux de rayons X à haute énergie émis par les accélérateurs laser pourraient permettre une imagerie par rayons X avancée qui peut trouver les limites entre les tissus mous, par opposition aux rayons X conventionnels, qui sont les meilleurs pour choisir des matériaux denses comme l'os. Lorsque les rayons X d'un accélérateur laser traversent différents matériaux, leurs ondes se désynchronisent à différents degrés, et cela peut faire la distinction entre un poumon et un cœur, par exemple. Cette méthode de mesure serait moins chère et offrirait des résultats plus rapides qu'une IRM.
• Sursauts de rayons gamma – mystères astrophysiques :comment des éruptions de rayonnement électromagnétique puissant qui ne durent pas plus de quelques secondes sont-elles produites dans l'espace ? Une théorie soutient que les champs magnétiques très forts, près des trous noirs par exemple, peut être en train de se séparer. Lorsque les lignes de champ magnétique se rejoignent, elles peuvent accélérer les particules qui libèrent ces puissantes bouffées d'énergie électromagnétique sous forme de rayons gamma. En utilisant le laser HERCULES en laboratoire, l'équipe peut créer des champs magnétiques puissants à des échelles microscopiques qui peuvent se séparer et se reconnecter de la même manière, faire la lumière sur si c'est vraiment le mécanisme derrière les sursauts gamma.
• Questions en électrodynamique quantique à champ fort :L'électrodynamique quantique - la description quantique de la lumière et de ses interactions avec la matière - n'a pas été suffisamment testée dans certaines situations extrêmes. Par exemple, lorsque les champs électriques sont suffisamment puissants, le phénomène de "faire bouillir le vide" est prédit se produire :matière et antimatière peuvent apparaître spontanément à partir de rien. Des champs électriques aussi puissants peuvent être trouvés dans les atmosphères d'étoiles à neutrons, par exemple. Le laser HERCULES amélioré peut simuler ces environnements en accélérant les électrons à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, de sorte que, du point de vue des électrons, les champs sont suffisamment puissants pour générer des particules à partir du vide. En observant le comportement des électrons, les chercheurs peuvent déduire si les prédictions de l'électrodynamique quantique sont exactes.

Krushelnick prévoit que les capacités étendues d'HERCULES permettront aux chercheurs de l'UM qui se spécialisent dans ces domaines de faire des expériences qui étaient auparavant impossibles. En outre, HERCULES alimente des expériences pour des chercheurs aux États-Unis et à l'étranger, la mise à niveau le rendra donc plus précieux en tant que ressource scientifique nationale.