Pour comprendre la nature fondamentale de notre univers, les scientifiques aimeraient construire des collisionneurs de particules qui accélèrent les électrons et leurs homologues antimatière (positons) à des énergies extrêmes (jusqu'à téra électronvolts, ou TeV). Avec la technologie conventionnelle, cependant, cela nécessite une machine extrêmement grosse et chère (pensez à 20 miles (32 km) de long). Pour réduire la taille et le coût de ces machines, l'accélération des particules, c'est-à-dire la quantité d'énergie qu'elles gagnent sur une distance donnée, doit être augmentée.

C'est là que la physique des plasmas pourrait avoir un impact dramatique :une onde de particules chargées - une onde de plasma - peut fournir cette accélération à travers son champ électrique. Dans un accélérateur plasma laser, des impulsions laser intenses sont utilisées pour créer une onde de plasma avec des champs électriques qui peuvent être des milliers de fois plus forts que ceux atteignables dans les accélérateurs conventionnels.

Récemment, l'équipe du Berkeley Lab's BELLA Center a doublé le précédent record du monde d'énergie produite par les accélérateurs laser plasma, générer des faisceaux d'électrons avec des énergies allant jusqu'à 7,8 milliards d'électrons-volts (GeV) dans un plasma de 8 pouces de long (20 cm). Cela nécessiterait environ 300 pieds (91 m) en utilisant la technologie conventionnelle.

Les chercheurs ont réussi cet exploit en contrecarrant la propagation naturelle de l'impulsion laser à l'aide d'un nouveau type de guide d'ondes plasma. Dans ce guide d'ondes, une décharge électrique est déclenchée dans un tube en saphir rempli de gaz pour former un plasma, et une impulsion laser "de chauffage" perce une partie du plasma au milieu, le rendant moins dense pour qu'il focalise la lumière laser (Figure 1). Le canal plasma est suffisamment puissant pour maintenir les impulsions laser focalisées bien confinées sur la longueur de l'accélérateur de 8 pouces.

"Le faisceau chauffant nous a permis de contrôler la propagation de l'impulsion laser du conducteur, " a déclaré le Dr Anthony Gonsalves. " Les prochaines expériences viseront à contrôler avec précision l'injection d'électrons dans l'onde de plasma pour obtenir une qualité de faisceau sans précédent, et de coupler plusieurs étapes ensemble pour montrer le chemin vers une énergie encore plus élevée."

Pour faire passer la prochaine génération de collisionneurs électron-positon à des énergies TeV, il faudra relier une série d'accélérateurs à plasma laser, à chaque étape donnant aux particules un regain d'énergie. La réalisation du Berkeley Lab est passionnante car 7,8 GeV correspond à l'énergie nécessaire pour que ces étages soient efficaces.