À gauche :dans le schéma proposé pour sonder la SF-QED avec des lasers actuels ou futurs, un miroir plasma façonné par la pression de rayonnement convertit une impulsion laser intense (rouge) en harmoniques boostées par Doppler (violet) et les focalise sur une cible secondaire, atteignant des intensités extrêmes. Les dimensions impliquées sont des dizaines à des centaines de microns (millionièmes de mètre); le diamètre d'un cheveu humain est de quelques à plusieurs dizaines de microns. À droite :la contribution clé de Berkeley Lab a été de diriger le développement du code de simulation utilisé pour la recherche. Dans cette image de simulation, les impulsions lumineuses intenses boostées au Doppler (rouge et bleu) traversent la cible solide (gris), générer des photons de haute énergie (orange) qui se désintègrent en paires d'électrons (vert) et de positons (violet) après une interaction supplémentaire avec les impulsions lumineuses entrantes. Seuls les photons qui ne se sont pas encore désintégrés en paires sont affichés.Crédit :Luca Fedeli/CEA
Une étude de modélisation théorique et informatique récemment publiée suggère que les lasers les plus puissants du monde pourraient enfin déchiffrer la physique insaisissable derrière certains des phénomènes les plus extrêmes de l'univers :les sursauts de rayons gamma, magnétosphères de pulsar, et plus.
L'équipe de recherche internationale à l'origine de l'étude comprend des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) et du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA-LIDYL) de la France. Ils rapportent leurs découvertes dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique .
L'équipe de recherche était dirigée par Henri Vincenti du CEA, qui a proposé le concept physique principal. Jean-Luc Vay et Andrew Myers, de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP) et de la division Recherche informatique de Berkeley Lab, respectivement, a dirigé le développement du code de simulation utilisé pour la recherche. (Vincenti a précédemment travaillé au Berkeley Lab en tant que chercheur Marie Curie et reste affilié à l'ATAP et collaborateur fréquent.) Le travail théorique et numérique a été dirigé par Luca Fedeli de l'équipe de Vincenti au CEA.
L'étude de modélisation de l'équipe montre que les lasers de la classe pétawatt (PW) - réduits à des intensités encore plus élevées via des interactions lumière-matière - pourraient fournir une clé pour percer les mystères du régime à champ fort (SF) de l'électrodynamique quantique (QED). Un pétawatt est 1 fois dix à la quinzième puissance (c'est-à-dire, suivi de 15 zéros), ou un quadrillion de watts. La sortie des lasers les plus puissants d'aujourd'hui est mesurée en pétawatts.
« C'est une démonstration puissante de la façon dont la simulation avancée de systèmes complexes peut ouvrir de nouvelles voies pour la science de la découverte en intégrant plusieurs processus physiques - dans ce cas, l'interaction laser avec une cible et la production ultérieure de particules dans une seconde cible, " a déclaré le directeur de la division ATAP, Cameron Geddes.
Les lasers sondent certains des secrets les plus jalousement gardés de la nature
Alors que la QED est une pierre angulaire de la physique moderne qui a résisté à la rigueur de l'expérience pendant de nombreuses décennies, Sonder SF-QED nécessite des champs électromagnétiques d'une intensité de plusieurs ordres de grandeur au-delà de ceux normalement disponibles sur Terre.
Les chercheurs ont essayé des voies secondaires vers SF-QED, comme l'utilisation de puissants faisceaux de particules provenant d'accélérateurs pour observer les interactions des particules avec les champs puissants qui sont naturellement présents dans certains cristaux alignés.
Pour une approche plus directe, les champs électromagnétiques les plus élevés disponibles dans un laboratoire sont délivrés par des lasers de classe PW. Un laser 10-PW (le plus puissant du monde à l'heure actuelle), focalisé à quelques microns, peut atteindre des intensités proches de 10 23 watts par centimètre carré. Les valeurs de champ électrique associées peuvent atteindre 10 14 volts par mètre. Pourtant, l'étude de la SF-QED nécessite des amplitudes de champ encore plus élevées que cela, des ordres de grandeur au-delà de ce qui peut être atteint avec ces lasers.
Pour briser cette barrière, les chercheurs ont prévu de faire appel à de puissants faisceaux d'électrons, accessible dans les grands accélérateurs ou les installations laser. Lorsqu'une impulsion laser de haute puissance entre en collision avec un faisceau d'électrons relativiste, l'amplitude du champ laser vu par les électrons dans leur référentiel de repos peut être augmentée de plusieurs ordres de grandeur, donnant accès aux nouveaux régimes SF-QED.
Bien que de telles méthodes soient difficiles expérimentalement, car elles appellent la synchronisation dans l'espace et dans le temps d'une impulsion laser de forte puissance et d'un faisceau d'électrons relativiste aux échelles femtoseconde et micron, quelques expériences de ce type ont été menées avec succès, et plusieurs autres sont prévus dans le monde dans des installations laser de classe PW.
L'interaction successive d'une impulsion laser de haute puissance (rouge et bleu) avec un miroir à plasma (non illustré) et une cible secondaire (gris clair translucide) pourrait créer les conditions pour sonder les effets de l'électrodynamique quantique à champ fort qui dépassent de loin les capacités expérimentales actuelles . Crédit :Luca Fedeli/CEA
A l'aide d'un déménagement, miroir plasma incurvé pour un regard direct
L'équipe de recherche a proposé une méthode complémentaire :un schéma compact qui peut directement augmenter l'intensité des faisceaux laser de haute puissance existants. Il s'appuie sur un concept bien connu d'intensification de la lumière et sur leurs études théoriques et de modélisation informatique.
Le schéma consiste à augmenter l'intensité d'une impulsion laser PW avec un miroir plasma relativiste. Un tel miroir peut être formé lorsqu'un faisceau laser à ultra haute intensité frappe une cible solide optiquement polie. En raison de l'amplitude élevée du laser, la cible solide est entièrement ionisée, formant un plasma dense qui réfléchit la lumière incidente. En même temps, la surface réfléchissante est en fait déplacée par le champ laser intense. À la suite de cette motion, une partie de l'impulsion laser réfléchie est temporairement compressée et convertie en une longueur d'onde plus courte par effet Doppler.
La pression de rayonnement du laser donne à ce miroir plasma une courbure naturelle. Cela focalise le faisceau boosté par Doppler sur des points beaucoup plus petits, ce qui peut conduire à des gains d'intensité extrêmes - plus de trois ordres de grandeur - où le faisceau laser amplifié par Doppler est focalisé. Les simulations indiquent qu'une cible secondaire à ce foyer donnerait des signatures SF-QED claires dans des expériences réelles.
Berkeley Lab fait partie intégrante de l'effort international de recherche en équipe
L'étude s'est appuyée sur les diverses ressources scientifiques du Berkeley Lab, incluant son code de simulation WarpX, qui a été développé pour modéliser des accélérateurs de particules avancés sous les auspices du projet Exascale Computing du département américain de l'Énergie. Les nouvelles capacités de WarpX ont permis de modéliser l'augmentation d'intensité et l'interaction de l'impulsion amplifiée avec la cible. Toutes les études de simulation précédentes n'avaient pu explorer que des configurations de preuve de principe.
La vérification expérimentale de la méthodologie de l'équipe de recherche pour sonder SF-QED pourrait provenir du Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), un laser de classe pétawatt avec un taux de répétition, sans précédent à cette puissance, d'une impulsion par seconde. Une deuxième ligne de lumière est actuellement en construction qui pourrait également contribuer aux études expérimentales de SF-QED par les chercheurs du Berkeley Lab. Un nouveau laser proposé, kBELLA, pourrait permettre de futures études à haut débit en apportant une intensité élevée à un taux de répétition de kilohertz à l'installation.
La découverte via WarpX de nouveaux régimes d'interaction laser-plasma de haute intensité pourrait avoir des avantages bien au-delà des idées pour explorer la SF-QED. Il s'agit notamment de mieux comprendre et concevoir des accélérateurs à plasma tels que ceux en cours de développement chez BELLA. Plus compacts et moins chers que les accélérateurs classiques d'énergie similaire, ils pourraient éventuellement changer la donne dans des applications allant de l'extension de la portée de la physique des hautes énergies aux sources de photons pénétrantes pour l'imagerie de précision, à l'implantation d'ions dans les semi-conducteurs, traiter le cancer, développer de nouveaux produits pharmaceutiques, et plus.
« Il est gratifiant de pouvoir contribuer à la validation de nouveaux, des idées potentiellement très impactantes via l'utilisation de nos nouveaux algorithmes et codes, " Vay a déclaré à propos des contributions de l'équipe du Berkeley Lab à l'étude. " Cela fait partie de la beauté de la science collaborative en équipe. "
