Au XFEL européen à Schenefeld près de Hambourg, des chercheurs de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf mettent en place la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF). Dans ce but, les scientifiques de Dresde installent deux lasers de haute puissance à la station HED (High Energy Density). Crédit :Européen XFEL / Jan Hosan
Dans les profondeurs de l'espace, il existe des corps célestes où règnent des conditions extrêmes :les étoiles à neutrons en rotation rapide génèrent des champs magnétiques extrêmement puissants. Et des trous noirs, avec leur énorme attraction gravitationnelle, peut causer d'énormes, jets énergétiques de matière pour s'élancer dans l'espace. Une équipe internationale de physique avec la participation du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a maintenant proposé un nouveau concept qui pourrait permettre à l'avenir d'étudier certains de ces processus extrêmes en laboratoire :une configuration spéciale de deux les faisceaux laser pourraient créer des conditions similaires à celles trouvées près des étoiles à neutrons. Dans le processus découvert, un jet d'antimatière est généré et accéléré de manière très efficace. Les experts présentent leur concept dans la revue Physique des communications
La base du nouveau concept est un petit bloc de plastique, sillonné de canaux micrométriques. Il agit comme une cible pour deux lasers. Ceux-ci tirent simultanément des impulsions ultra-fortes sur le bloc, un de la droite, l'autre à partir de la gauche - le bloc est littéralement pris par des pinces laser. "Lorsque les impulsions laser pénètrent dans l'échantillon, chacun d'eux accélère un nuage d'électrons extrêmement rapides, " explique Toma Toncian, physicien du HZDR. " Ces deux nuages d'électrons courent alors l'un vers l'autre avec toute leur force, interagissant avec le laser se propageant dans la direction opposée. » La collision suivante est si violente qu'elle produit un nombre extrêmement important de quanta gamma, des particules lumineuses d'une énergie encore plus élevée que celle des rayons X.
L'essaim de quanta gamma est si dense que les particules légères entrent inévitablement en collision les unes avec les autres. Et puis quelque chose de fou se produit :selon la célèbre formule d'Einstein E=mc 2 , l'énergie lumineuse peut se transformer en matière. Dans ce cas, principalement des paires électron-positon devraient être créées. Les positons sont les antiparticules des électrons. Ce qui rend ce processus spécial, c'est que "de très forts champs magnétiques l'accompagnent, " décrit le chef de projet Alexey Arefiev, un physicien à l'Université de Californie à San Diego. "Ces champs magnétiques peuvent focaliser les positons dans un faisceau et les accélérer fortement." En chiffres :Sur une distance de seulement 50 micromètres, les particules devraient atteindre une énergie d'un gigaélectronvolt (GeV) - une taille qui nécessite généralement un accélérateur de particules complet.
Les images montrent comment la densité du plasma (représentée ici en noir et blanc) évolue au cours du temps lors de l'irradiation avec deux impulsions laser de haute intensité contra-propagatives. Le rayonnement à haute énergie produit au cours de ce processus est mis en évidence en couleur sous forme de densité de photons gamma. Ces photons sont si proches l'un de l'autre depuis l'affrontement des deux lasers qu'ils peuvent entrer en collision pour créer des paires matière-antimatière. Crédit :Toma Toncian
Simulation informatique réussie
Pour voir si l'idée inhabituelle pourrait fonctionner, l'équipe l'a testé dans une simulation informatique élaborée. Les résultats sont encourageants; en principe, le concept doit être réalisable. "J'ai été surpris que les positons qui ont été créés à la fin aient été transformés en un faisceau à haute énergie et groupé dans la simulation, " Arefiev dit joyeusement. De plus, la nouvelle méthode devrait être beaucoup plus efficace que les idées précédentes, dans lequel une seule impulsion laser est tirée sur une cible individuelle :selon la simulation, le "laser double strike" devrait pouvoir en générer jusqu'à 100, 000 fois plus de positons que le concept de traitement unique.
"Aussi, dans notre cas, les lasers ne devraient pas être aussi puissants que dans d'autres concepts, " explique Toncian. " Cela rendrait probablement l'idée plus facile à mettre en pratique. " Cependant, il n'y a que peu d'endroits dans le monde où la méthode pourrait être mise en œuvre. Le plus adapté serait ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), une installation laser unique en Roumanie, largement financé par l'Union européenne. Il dispose de deux lasers ultra-puissants qui peuvent tirer simultanément sur une cible, l'exigence de base de la nouvelle méthode.
Premiers tests à Hambourg
Essais préliminaires indispensables, cependant, pourrait avoir lieu au préalable à Hambourg :le XFEL européen, le laser à rayons X le plus puissant au monde, s'y trouve. Le HZDR joue un rôle majeur dans cette installation de grande envergure :il anime un consortium d'utilisateurs dénommé HIBEF, qui cible la matière dans des états extrêmes depuis un certain temps. « Chez HIBEF, collègues du HZDR, avec l'Institut Helmholtz d'Iéna, développent une plate-forme qui peut être utilisée pour tester expérimentalement si les champs magnétiques se forment réellement comme nos simulations le prédisent, " explique Toma Toncian. " Cela devrait être facile à analyser avec les puissants flashs de rayons X du XFEL européen. "
Pour l'astrophysique comme pour la physique nucléaire, la nouvelle technique pourrait être extrêmement utile. Après tout, certains processus extrêmes dans l'espace sont également susceptibles de produire de grandes quantités de quanta gamma, qui se matérialisent ensuite rapidement à nouveau en paires à haute énergie. "De tels processus sont susceptibles d'avoir lieu, entre autres, dans la magnétosphère des pulsars, c'est-à-dire d'étoiles à neutrons en rotation rapide, " dit Alexey Arefiev. " Avec notre nouveau concept, de tels phénomènes pourraient être simulés en laboratoire, au moins dans une certaine mesure, ce qui nous permettrait alors de mieux les comprendre."
