Comme ils sont beaucoup plus compacts que les accélérateurs d'aujourd'hui, qui peut faire des kilomètres de long, les accélérateurs à plasma sont considérés comme une technologie prometteuse pour l'avenir. Un groupe de recherche international a maintenant fait des progrès significatifs dans le développement de cette approche :avec deux expériences complémentaires au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et à la Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), l'équipe a pu combiner pour la première fois deux technologies plasma différentes et construire un nouvel accélérateur hybride. Le concept pourrait faire progresser le développement d'accélérateurs et, à long terme, devenir la base de sources de rayons X très brillantes pour la recherche et la médecine, comme le décrivent les experts dans la revue Communication Nature .

Dans les accélérateurs de particules conventionnels, de fortes ondes radio sont guidées dans des tubes métalliques de forme spéciale appelés résonateurs. Les particules à accélérer, qui sont souvent des électrons, peuvent surfer sur ces ondes radio comme les surfeurs surfer sur une vague océanique. Mais le potentiel de la technologie est limité :introduire trop de puissance d'ondes radio dans les résonateurs crée un risque de charges électriques qui peuvent endommager le composant. Cela signifie que pour amener les particules à des niveaux d'énergie élevés, de nombreux résonateurs doivent être connectés en série, ce qui fait que les accélérateurs d'aujourd'hui font dans de nombreux cas des kilomètres de long.

C'est pourquoi les experts travaillent avec enthousiasme sur une alternative :l'accélération plasma. En principe, des flashs laser courts et extrêmement puissants se déclenchent dans un plasma, un état de matière ionisé composé d'électrons chargés négativement et de noyaux atomiques chargés positivement. Dans ce plasma, l'impulsion laser génère un fort champ électrique alternatif, semblable au sillage d'un navire, qui peut accélérer énormément les électrons sur une très courte distance. En théorie, cela signifie que les installations peuvent être construites beaucoup plus compactes, réduire un accélérateur d'une centaine de mètres de long aujourd'hui à quelques mètres seulement. "C'est cette miniaturisation qui rend le concept si attractif, " explique Arié Irman, chercheur à l'Institut de physique des rayonnements HZDR. "Et nous espérons que cela permettra même aux petits laboratoires universitaires de s'offrir un accélérateur puissant à l'avenir."

Mais il existe encore une autre variante de l'accélération du plasma où le plasma est entraîné par des paquets d'électrons proches de la vitesse de la lumière au lieu de puissants flashs laser. Cette méthode offre deux avantages par rapport à l'accélération plasma par laser :« En principe, il devrait être possible d'atteindre des énergies de particules plus élevées, et les faisceaux d'électrons accélérés devraient être plus faciles à contrôler, " explique le physicien et auteur principal du HZDR Thomas Kurz. " L'inconvénient est qu'à l'heure actuelle, nous nous appuyons sur de grands accélérateurs conventionnels pour produire les paquets d'électrons nécessaires au pilotage du plasma." FLASH à DESY à Hambourg, par exemple, où de telles expériences ont lieu, mesure une bonne centaine de mètres.

Combinaison à haute énergie

C'est précisément là qu'intervient le nouveau projet. « Nous nous sommes demandé si nous pouvions construire un accélérateur beaucoup plus compact pour entraîner l'onde plasma, " dit Thomas Heinemann de l'Université de Strathclyde en Ecosse, qui est également l'auteur principal de l'étude. "Notre idée était de remplacer cette installation conventionnelle par un accélérateur plasma à laser." Pour tester le concept, l'équipe a conçu une configuration expérimentale sophistiquée dans laquelle de puissants éclairs de lumière provenant de l'installation laser DRACO de HZDR ont frappé un jet de gaz d'hélium et d'azote, générer un bundle, faisceau d'électrons rapide via une onde plasma. Ce faisceau d'électrons traverse une feuille métallique dans le segment suivant, avec la feuille réfléchissant les flashs laser.

Dans ce prochain segment, le faisceau d'électrons entrant rencontre un autre gaz, cette fois un mélange d'hydrogène et d'hélium, dans lequel il peut générer un nouveau, deuxième onde plasma, en mettant d'autres électrons en mode turbo sur une durée de quelques millimètres seulement, un faisceau de particules à haute énergie est projeté. "Dans le processus, nous pré-ionisons le plasma avec un supplément, impulsion laser plus faible, " explique Heinemann. " Cela rend l'accélération du plasma avec le faisceau conducteur beaucoup plus efficace. "

Allumage turbo :presque à la vitesse de la lumière à moins d'un millimètre

Le résultat :« Notre accélérateur hybride mesure moins d'un centimètre, " explique Kurz. " La section de l'accélérateur piloté par faisceau n'en utilise qu'un millimètre pour amener les électrons à presque la vitesse de la lumière. " Des simulations réalistes du processus montrent un gradient remarquable de la tension d'accélération dans le processus, correspondant à une augmentation de plus de mille fois par rapport à un accélérateur conventionnel. Pour souligner l'importance de leurs conclusions, les chercheurs ont mis en œuvre ce concept sous une forme similaire au laser ATLAS du LMU à Munich. Cependant, les experts ont encore de nombreux défis à relever avant que cette nouvelle technologie puisse être utilisée pour des applications.

Dans tous les cas, les experts ont déjà en tête des domaines d'application possibles :« Les groupes de recherche qui ne disposent pas actuellement d'un accélérateur de particules adapté pourraient être en mesure d'utiliser et de développer davantage cette technologie, " Arie Irman espère. " Et deuxièmement, notre accélérateur hybride pourrait être la base de ce qu'on appelle un laser à électrons libres. en particulier les rayons X, pour des analyses ultra-précises de nanomatériaux, biomolécules, ou des échantillons géologiques. Jusqu'à maintenant, ces lasers à rayons X nécessitaient des accélérateurs conventionnels longs et coûteux. La nouvelle technologie plasma pourrait les rendre beaucoup plus compacts et rentables, et peut-être aussi abordables pour un laboratoire universitaire ordinaire.