En observant des électrons accélérés à des énergies extrêmement élevées, les scientifiques sont capables de débloquer des indices sur les particules qui composent notre univers.

Accélérer des électrons à des énergies aussi élevées en laboratoire, cependant, est difficile :généralement, plus les électrons sont énergétiques, plus l'accélérateur de particules est gros. Par exemple, pour découvrir le boson de Higgs, la « particule de Dieu récemment observée, " responsable de la masse dans l'univers - les scientifiques du laboratoire du CERN en Suisse ont utilisé un accélérateur de particules de près de 27 kilomètres de long.

Mais et s'il y avait un moyen de réduire les accélérateurs de particules, produire des électrons de haute énergie dans une fraction de la distance ?

Dans un article publié en Lettres d'examen physique , des scientifiques du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester ont décrit une méthode pour façonner une lumière laser intense de manière à accélérer les électrons pour enregistrer des énergies sur de très courtes distances :les chercheurs estiment que l'accélérateur serait de 10, 000 fois plus petit qu'un montage proposé enregistrant une énergie similaire, réduire l'accélérateur de presque la longueur de Rhode Island à la longueur d'une table de salle à manger. Avec une telle technologie, les scientifiques pourraient effectuer des expériences sur table pour sonder le boson de Higgs ou explorer l'existence de dimensions supplémentaires et de nouvelles particules qui pourraient conduire au rêve d'Albert Einstein d'une grande théorie unifiée de l'univers.

"Les électrons de plus haute énergie sont nécessaires pour étudier la physique fondamentale des particules, " dit Jean Palastro, scientifique au LLE et auteur principal de l'article. "Les accélérateurs d'électrons fournissent un miroir dans un monde subatomique habité par les éléments constitutifs fondamentaux de l'univers."

Bien que cette recherche soit actuellement théorique, le LLE s'efforce d'en faire une réalité grâce à des plans visant à construire le laser le plus puissant au monde au LLE. Le laser, être nommé EP-OPAL, permettra aux chercheurs de créer les impulsions lumineuses sculptées extrêmement puissantes et la technologie décrite dans cet article.

L'accélérateur d'électrons décrit par les chercheurs repose sur une technique révolutionnaire pour sculpter la forme des impulsions laser afin que leurs pics puissent voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

"Cette technologie pourrait permettre d'accélérer les électrons au-delà de ce qui est possible avec les technologies actuelles, " dit Dustin Froula, un scientifique senior au LLE et l'un des auteurs de l'article.

Afin de sculpter les impulsions laser, les chercheurs ont développé une nouvelle configuration optique ressemblant à un amphithéâtre circulaire avec des « marches » de longueur d'onde utilisées pour créer un délai entre les anneaux concentriques de lumière délivrés par un laser haute puissance.

Une lentille typique focalise chaque anneau de lumière d'un laser à une seule distance de la lentille, formant un seul point de lumière de haute intensité. Au lieu d'utiliser un objectif typique, cependant, les chercheurs utilisent une lentille de forme exotique, ce qui leur permet de focaliser chaque anneau de lumière à une distance différente de l'objectif, créant une ligne de haute intensité plutôt qu'un seul point.

Lorsque cette impulsion lumineuse sculptée pénètre dans un plasma - une soupe chaude d'électrons et d'ions en mouvement libre - elle crée un sillage, semblable au sillage derrière un bateau à moteur. Ce sillage se propage à la vitesse de la lumière. Tout comme un skieur nautique chevauchant dans le sillage d'un bateau, les électrons accélèrent alors alors qu'ils chevauchent le sillage des impulsions de lumière laser sculptées.

Ces « accélérateurs de champ de sillage laser » (LWFA) ont été théorisés pour la première fois il y a près de 40 ans, et ont été avancés par l'invention de l'amplification d'impulsions chirpées (CPA), une technique développée au LLE par les lauréats du prix Nobel 2018, Donna Strickland et Gérard Mourou.

Les versions précédentes de LWFA, cependant, utilisé traditionnel, des impulsions lumineuses non structurées se propageant plus lentement que la vitesse de la lumière, ce qui signifiait que les électrons dépasseraient le sillage, limiter leur accélération. Les nouvelles impulsions lumineuses sculptées permettent des vitesses plus rapides que la lumière afin que les électrons puissent parcourir le sillage indéfiniment et être continuellement accélérés.

"Ce travail est extrêmement innovant et changerait la donne pour les accélérateurs laser, " dit Michael Campbell, directeur du LLE. "Cette recherche montre la valeur de la physique théorique et expérimentale des plasmas travaillant en étroite collaboration avec des scientifiques et des ingénieurs laser exceptionnels - elle représente le meilleur de la culture de LLE."