Les scientifiques ont développé avec succès un accélérateur de particules de poche capable de projeter des faisceaux d'électrons ultra-courts avec une lumière laser à plus de 99,99 % de la vitesse de la lumière.

Pour arriver à ce résultat, les chercheurs ont dû ralentir la lumière pour correspondre à la vitesse des électrons à l'aide d'une structure métallique spécialement conçue bordée de couches de quartz plus fines qu'un cheveu humain.

Cet énorme bond en avant offre simultanément la possibilité de mesurer et de manipuler des paquets de particules sur des échelles de temps inférieures à 10 femtosecondes (0.000 000 000 000 01 secondes, ou le temps qu'il faut à la lumière pour parcourir 1/100e de millimètre). Cela leur permettra de créer des photographies stroboscopiques du mouvement atomique.

Cette démonstration réussie ouvre la voie au développement de hautes énergies, charge élevée, des accélérateurs pilotés par Terahertz (THz) de haute qualité, qui promettent d'être moins cher et plus compact. Réduire la taille et le coût de la technologie des accélérateurs, ouvrira ces incroyables machines à un éventail d'applications beaucoup plus large.

Les accélérateurs de particules sont répandus avec des applications dans la recherche fondamentale en physique des particules, caractérisation des matériaux, radiothérapie dans les hôpitaux, où ils sont utilisés pour traiter les patients atteints de cancer, production de radio-isotopes pour l'imagerie médicale, et le contrôle de sécurité du fret. La technologie de base (oscillateurs radiofréquence) qui sous-tend ces machines, cependant, a été développé pour le radar pendant la Seconde Guerre mondiale.

Dans une nouvelle recherche publiée aujourd'hui dans Photonique de la nature , une équipe collaborative d'universitaires montre que leur solution unique consiste à utiliser des lasers pour générer des impulsions lumineuses de fréquence térahertz. Le térahertz est une région du spectre électromagnétique entre l'infrarouge (utilisé dans les télécommandes de télévision) et les micro-ondes (utilisés dans les fours à micro-ondes). Le rayonnement THz généré par laser existe dans le régime de longueur d'onde idéal à l'échelle millimétrique, rendre la fabrication de la structure plus simple mais surtout fournir les longueurs de demi-cycle qui sont bien adaptées à l'accélération de paquets d'électrons entiers avec des niveaux de charge élevés.

L'auteur principal de l'article, le Dr Morgan Hibberd de l'Université de Manchester, a déclaré :« Le principal défi consistait à faire correspondre la vitesse du champ THz en accélération à la vitesse du faisceau d'électrons presque la vitesse de la lumière. tout en empêchant également la vitesse intrinsèquement plus faible de l'enveloppe d'impulsion THz se propageant à travers notre structure d'accélération de dégrader de manière significative la longueur sur laquelle le champ moteur et les électrons interagissent."

"Nous avons surmonté ce problème en développant une source THz unique qui produisait des impulsions plus longues ne contenant qu'une gamme étroite de fréquences, améliorant considérablement l'interaction. Notre prochaine étape est de démontrer des gains d'énergie encore plus élevés tout en maintenant la qualité du faisceau. Nous prévoyons que cela sera réalisé grâce à des raffinements pour augmenter notre source d'énergie THz, qui sont déjà en cours."

Le professeur Steven Jamison de l'Université de Lancaster qui dirige conjointement le programme, a expliqué : « L'accélération contrôlée de faisceaux relativistes avec des impulsions de type laser à fréquence térahertz est une étape importante dans le développement d'une nouvelle approche des accélérateurs de particules. En utilisant des fréquences électromagnétiques cent fois plus élevées que dans les accélérateurs de particules conventionnels, une avancée révolutionnaire dans le contrôle des faisceaux de particules à des échelles de temps femtosecondes devient possible."

"Avec notre démonstration d'accélération térahertz de particules se déplaçant à 99,99 % de la vitesse de la lumière, nous avons confirmé une voie pour adapter l'accélération térahertz à des énergies hautement relativistes."

Alors que les chercheurs envisagent le rôle à long terme de leurs concepts dans le remplacement des accélérateurs de recherche à l'échelle de plusieurs kilomètres (comme la source de rayons X européenne de 3 km de long à Hambourg) par des dispositifs de quelques mètres de long, ils s'attendent à ce que les impacts immédiats soient dans les domaines de la radiothérapie et dans la caractérisation des matériaux.

Dr Darren Graham, Le maître de conférences en physique à l'Université de Manchester a déclaré :« Atteindre cette étape n'aurait pas été possible sans l'environnement collaboratif unique fourni par le Cockcroft Institute, qui a permis de réunir des scientifiques et des ingénieurs de l'Université de Lancaster, L'Université de Manchester et le personnel du STFC du laboratoire de Daresbury."