Les accélérateurs de particules de pointe du monde poussent les extrêmes dans les faisceaux à haute luminosité et les impulsions ultracourtes pour explorer la matière de nouvelles façons.

Pour optimiser leurs performances et se préparer aux installations de nouvelle génération qui pousseront ces extrêmes plus loin, les scientifiques ont conçu un nouvel outil capable de mesurer la luminosité de ces faisceaux, même pour des impulsions qui ne durent que des femtosecondes (quadrillionièmes de seconde) ou des attosecondes (quintillionièmes de seconde). Comparer 1 attoseconde à 1 seconde revient à comparer 1 seconde à 31,7 milliards d'années.

Cet outil peut également mesurer la taille des faisceaux à quelques dizaines de nanomètres (milliardièmes de mètre) près - sans perturber les expériences qui reposent sur ces faisceaux.

Le nouvel outil, surnommé un "moniteur de densité de charge, " pourrait également fournir des mesures plus précises de la physique fondamentale dans les expériences de faisceaux à haute énergie et à haut champ, et aider à guider les efforts de R&D qui cherchent à réduire la taille et le coût des installations de collisionneur de particules et d'accélérateur tout en augmentant leurs capacités.

La recherche utilisant ce diagnostic proposé pourrait également avoir un impact sur des disciplines allant de la science des plasmas à la physique atomique, et pourrait conduire à de nouvelles applications et révéler une nouvelle physique.

Au Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) du département américain de l'Énergie, les chercheurs espèrent tester cet outil en mesurant les propriétés des particules à la suite d'un intense faisceau laser forant un jet de gaz. Ce faisant, ils espèrent en savoir plus sur l'impulsion du faisceau d'électrons émergeant de cette interaction.

"BELLA fournit un banc d'essai idéal pour évaluer le potentiel de la méthode de mesure du faisceau dans un accélérateur avancé à la pointe de la technologie, puisque nous visons à produire les rafales d'électrons ultracourtes les plus brillantes possibles avec notre technologie d'accélérateur compact, " a déclaré Wim Leemans, directeur du BELLA Center et de la division Accelerator Technology &Applied Physics du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Cela fournirait un outil puissant pour mesurer et améliorer les faisceaux de BELLA."

Leemans a dirigé l'équipe de contributeurs du Berkeley Lab au sein d'une équipe internationale dans une étude technique détaillant la nouvelle méthode, publié dans le numéro du 10 mai de la revue Examen physique X .

Roxana Tarkeshian, chercheur à l'Université de Berne et précédemment à l'Institut Paul Scherrer, a été l'auteur principal de l'étude et a poursuivi la nouvelle méthode de diagnostic depuis 2015, avec le soutien de Thomas Feurer, professeur à l'Université de Berne et expert en technologie laser et en physique spatiale.

« Ses mesures ultrasensibles à haute résolution, et son faible coût et sa compacité font partie de ses atouts, " dit Tarkeshian.

L'étude détaille l'intensité des faisceaux de particules pouvant traverser un gaz neutre à faible densité, éliminant les électrons des atomes de gaz grâce aux champs électriques puissants associés aux faisceaux de particules intenses. Un nuage de matière ionisé (chargé) connu sous le nom de plasma, contenant des ions et des électrons, se forme au cours du processus.

La résolution « sans précédent » de la technique pour la durée et la taille des impulsions individuelles pour les faisceaux d'électrons et les faisceaux de positons se rapporte à un effet dans lequel de petits changements dans la luminosité du faisceau de quelques pour cent à quelques dizaines de pour cent peuvent entraîner des dizaines à des centaines de fois plus des ions générés en présence d'un champ électrique, a noté Tarkeshian.

Le processus est similaire à ce qui se passe lorsqu'une très intense, faisceau laser focalisé ou impulsion de rayons X interagit avec un gaz et ionise les atomes. Mais il existe des différences importantes dans la physique de ce processus d'ionisation pour les faisceaux lumineux (photons) par rapport aux autres types de faisceaux de particules.

Avec des faisceaux de lumière, des électrons et des ions (particules chargées) sont produits dans toute l'empreinte du faisceau, et les électrons associés au plasma ont une vitesse relativement faible et ont tendance à rester autour de la colonne d'ions jusqu'à ce qu'ils soient éloignés par un champ électrique externe. Les ions avec des charges positives dérivent alors dans la direction opposée et peuvent être mesurés.

Pour les faisceaux de particules d'électrons (chargés négativement) ou de positons (chargés positivement), la forme du champ électrique ressemble à un beignet et produit une colonne de plasma en forme d'anneau, sans ions initialement laissés dans le trajet du faisceau - le trou du beignet. Ces faisceaux de particules peuvent fournir un puissant coup de pied aux électrons, qui peut laisser une colonne d'ions en forme d'anneau derrière. Et ces ions peuvent être guidés par un champ électrique vers un détecteur qui mesure le nombre d'ions, leur vitesse, et leur état chargé.

La dernière étude montre que le nouvel outil de mesure peut également glaner plus d'informations sur le faisceau lui-même à partir de ce "beignet d'ions" dans les bonnes conditions de fonctionnement - avec la bonne densité et le bon mélange de gaz, par exemple.

L'équipe a effectué des simulations sophistiquées à l'aide d'un code informatique affiné par Berkeley Lab connu sous le nom de WARP et d'un autre code connu sous le nom de VSim. Les chercheurs ont modélisé l'interaction des faisceaux de particules et de photons avec les gaz et la dynamique liée au plasma qui s'ensuit.

"Les simulations nous ont permis de zoomer dans l'espace et le temps, de l'échelle centimétrique à la taille submicronique du faisceau, et de suivre la dynamique et les distributions des électrons et des ions à différentes échelles de temps, " a déclaré Jean-Luc Vay, un scientifique senior au Berkeley Lab qui a contribué au code WARP et dirige le programme de modélisation des accélérateurs dans la division ATAP du laboratoire.

Vay a noté que certains aspects du code se sont avérés essentiels pour la modélisation précise et la compréhension des différences entre les effets des faisceaux de particules par rapport aux faisceaux de photons, et à trouver la meilleure façon de régler et d'exploiter le système.

Une fois le système de diagnostic complet mis en œuvre dans les systèmes d'accélérateur, les simulations aideront à vérifier la réalité des mesures réelles dans les expériences et aideront à développer une voie pour optimiser les performances du faisceau.

"Les petits changements pourraient être résolus très précisément, " elle a dit, sur la base de mesures d'impulsions de faisceau individuelles.

La technique proposée ouvre également la possibilité d'étudier la dynamique induite par les charges dans la matière, et peut fournir plus d'informations sur les échelles de temps des processus atomiques ou moléculaires fondamentaux étudiés avec des impulsions de photons attosecondes, elle a dit, y compris une propriété connue sous le nom d'effet tunnel quantique dans laquelle une particule peut apparaître spontanément « tunnel » à travers la barrière potentielle de l'atome au mépris de la physique classique.

Et Tarkeshian souligne que le diagnostic proposé pourrait s'avérer utile pour les lasers à rayons X à électrons libres (XFEL) existants tels que le Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray FEL au SLAC National Accelerator Laboratory, l'installation FLASH de DESY en Allemagne, le SwissFEL à l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, entre autres, et des installations en construction comme le LCLS-II au SLAC.

Par exemple, un prototype a été installé au LCLS avec le soutien et les contributions du scientifique du SLAC Patrick Krejcik et d'une équipe du PSI pour diagnostiquer l'ultracourt, paquets d'électrons à haute énergie produits par son accélérateur.

Tarkeshian a noté que d'autres outils ont été développés pour fournir des mesures des propriétés de l'accélérateur et du faisceau XFEL, mais comme les impulsions des faisceaux emballent de plus en plus d'intensité et d'énergie dans des impulsions de plus en plus courtes, de nouveaux outils seront nécessaires pour suivre le rythme de ces faisceaux extrêmes.

Elle a crédité des travaux vieux de plusieurs décennies sur une proposition de diagnostic pour un projet d'accélérateur de test au SLAC connu sous le nom de Final Focus Test Beam, ou FFTB, en ouvrant la voie à ce nouveau concept de design.

« Dans notre dernier travail, nous avons étudié non seulement les concepts mais aussi les défis auxquels cette technique peut être confrontée expérimentalement, " dit Tarkeshian.

« C'est formidable de faire revivre ce concept inachevé d'il y a des décennies avec de nouvelles idées, et avec un soutien continu, nous pouvons réaliser son potentiel, " ajouta-t-elle. " C'est un chemin très ouvert, et nous ne faisons que commencer."

Leemans a dit, "Nous pensons que la réalisation pratique de cette technique innovante sera finalement d'un grand intérêt pour la physique internationale des hautes énergies et les communautés scientifiques générales axées sur les accélérateurs."