Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont achevé une expansion majeure de l'un des systèmes laser les plus puissants au monde, créant de nouvelles opportunités dans la recherche sur les accélérateurs pour l'avenir de la physique des hautes énergies et d'autres domaines. L'expansion a créé une deuxième ligne de lumière pour le laser pétawatt au Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, permettant le développement d'accélérateurs de particules de nouvelle génération pour des applications dans les domaines de la science, de la médecine, de la sécurité et de l'industrie. La deuxième ligne de lumière a été mise en ligne cet été et est l'aboutissement de plusieurs années de planification, de conception et d'ingénierie par les équipes de BELLA et d'ingénierie.

"Nous sommes heureux de voir la construction terminée et nous sommes très impatients de commencer la grande variété d'expériences passionnantes qui sont rendues possibles par la deuxième ligne de lumière", a déclaré Eric Esarey, directeur du Centre BELLA.

Utiliser la lumière pour déplacer des particules

Les accélérateurs traditionnels utilisent des champs électromagnétiques radiofréquences pour accélérer progressivement les particules sur des distances de plusieurs dizaines de kilomètres et ont donc tendance à être énormes et très coûteux. Par exemple, le Grand collisionneur de hadrons du CERN, le célèbre accélérateur international de particules, accélère les particules le long d'une trajectoire circulaire de plus de 25 km de long, une réalisation monumentale dont la construction et l'exploitation coûtent des milliards de dollars.

Au Centre BELLA, les scientifiques accélèrent les particules chargées avec des champs électriques générés par un laser de haute puissance interagissant avec un plasma, créant ce qu'on appelle un accélérateur laser-plasma (LPA). L'équipe utilise un laser d'un pétawatt qui produit un faisceau d'impulsions très courtes ou "balles" de lumière, une par seconde, chacune étant environ cent fois plus puissante qu'un éclair typique. Lorsque le faisceau laser traverse le plasma (une soupe gazeuse de particules chargées), il crée une onde en mouvement, et une particule chargée placée dans cette onde est ensuite propulsée vers l'avant, comme un surfeur sur une vague océanique. Cette approche « wakefield » peut produire des taux d'accélération jusqu'à mille fois supérieurs à ceux des accélérateurs conventionnels, faisant des LPA un candidat prometteur pour la prochaine génération d'accélérateurs plus petits et moins chers.

Un outil puissant pour le développement de la technologie des accélérateurs

La deuxième ligne de lumière a été conçue pour être hautement réglable, capable de produire une large gamme de tailles de points laser, avec des durées d'impulsion et des énergies d'impulsion qui peuvent être modifiées indépendamment. Les deux lignes de lumière sont destinées à être utilisées en tandem, faisant du système un outil puissant et polyvalent pour le développement de la science et de la technologie des accélérateurs. Pour créer la nouvelle ligne de lumière, l'équipe a séparé une partie du faisceau laser principal et l'a fait passer à travers une série d'optiques pour générer un deuxième faisceau d'impulsions lumineuses courtes et puissantes pouvant créer un deuxième champ de sillage.

En particulier, le système a été conçu pour permettre à l'équipe de visionner plusieurs modules LPA afin d'atteindre les hautes énergies de faisceaux d'électrons nécessaires aux collisionneurs de particules, en utilisant le champ de sillage de la deuxième ligne de lumière pour accélérer davantage les particules sortant de la première. Les premières expérimentations pour atteindre cet objectif sont actuellement en cours. Dans leur vision à plus long terme, l'équipe propose d'empiler des modules supplémentaires alimentés par laser pour créer des accélérateurs d'énergies extrêmement élevées, permettant la prochaine génération de découvertes en physique à une fraction du coût et de la taille.

À titre d'exemple, des méthodes pour améliorer l'efficacité énergétique des LPA peuvent également être explorées avec les lignes de lumière doubles. La seconde impulsion laser de ligne de faisceau peut être configurée pour absorber toute énergie restante dans le premier plasma de ligne de faisceau qui n'est pas utilisée par le processus d'accélération, puis envoyée à un système de récupération d'énergie. Marlene Turner, scientifique au Centre BELLA, a reçu un prestigieux prix de début de carrière du DOE pour travailler sur ce concept. "Sans la deuxième ligne de lumière, mes recherches, qui visent à réduire la consommation d'énergie et l'impact environnemental des futurs collisionneurs à plasma, ne seraient pas possibles", a déclaré Turner.

Les lignes de lumière doubles peuvent également être utilisées dans d'autres configurations. Par exemple, la deuxième ligne de lumière peut être utilisée pour accélérer les particules afin de disperser celles de la première ligne de lumière, permettant aux physiciens de sonder la physique exotique qui se présente.

"La précision apportée par ces deux lignes de faisceaux laser, combinant une synchronisation femtoseconde et une précision spatiale à l'échelle du micron, est sans précédent à des niveaux de puissance de crête de classe pétawatt, et permettra des expériences sur la mise en scène LPA ainsi que d'autres avancées dans l'accélération du plasma telles que la personnalisation laser de des structures accélératrices de plasma, des méthodes d'injection de particules basées sur le laser, la production de photons à haute énergie par diffusion laser et des études fondamentales en électrodynamique quantique à champ élevé », a déclaré Tony Gonsalves, le scientifique principal de l'équipe pétawatt BELLA. "C'est un gros problème."

La puissance de la science d'équipe

Berkeley Lab est connu comme une centrale de science d'équipe, et ce nouveau projet BELLA illustre cette philosophie. À tout moment, l'équipe de base travaillant sur ce projet comprend dix à quinze ingénieurs mécaniciens, ingénieurs électriciens et chercheurs, ainsi qu'une distribution tournante d'autres acteurs clés, notamment des spécialistes de la sécurité radiologique et des ingénieurs sismiques. Cela a permis de garantir que la mise à niveau de la ligne de faisceau à deux lasers crée non seulement une science de pointe, mais est également exécutée de manière sûre, bien conçue et durable, ce qui permettra une productivité continue pendant de nombreuses années à venir.

L'équipe a rencontré sa juste part de défis en raison de la pandémie de COVID-19, qui a temporairement fermé son installation. Après sa réouverture, l'équipe a dû travailler par équipes, en utilisant un système de billetterie pour maintenir une densité de travailleurs sûre. Le simple fait de faire venir une équipe d'ingénieurs français pour installer une chambre de compresseur a pris une bonne partie de l'année en raison des restrictions liées à la pandémie.

"Cela a été un long chemin pour faire avancer les choses, et un chemin beaucoup plus long à cause du COVID", a déclaré Gonsalves. "Si vous deviez compter combien de personnes ont touché à ce projet, ce serait un très grand nombre. Nous sommes chanceux d'avoir cette impressionnante infrastructure de personnes au Lab pour rendre un projet comme celui-ci possible."

Physique exotique et applications quotidiennes

Les collisionneurs de particules sont des outils de découverte que les scientifiques utilisent pour sonder la structure de la matière en écrasant les particules avec suffisamment d'énergie pour les briser, nous aidant à comprendre de quoi est fait l'univers et les forces qui le maintiennent ensemble. L'objectif ultime de la nouvelle ligne de lumière est de développer une nouvelle technologie d'accélérateur qui permettra aux collisionneurs d'atteindre des énergies plus élevées. Ces questions vont bien au-delà de l'examen de la matière visible, qui constitue en fait une petite fraction de l'univers. Il y a cinq fois plus de matière noire invisible dans l'univers que de matière visible, et des accélérateurs d'énergie plus élevée peuvent être capables de produire de lourdes particules de matière noire afin que leurs propriétés puissent être étudiées.

Le domaine de la sécurité nationale prête également attention à ces développements dans la nouvelle technologie des accélérateurs. Les technologies actuelles de dépistage des matières nucléaires dans les ports, pour les traités nucléaires et d'autres applications, sont limitées en précision. La technologie des accélérateurs à base de laser, cependant, pourrait être utilisée pour produire les rayons gamma accordables ou les muons à haute énergie nécessaires pour détecter avec précision les composés nucléaires ou d'autres matériaux, et la technologie pourrait s'intégrer dans une petite unité portable.

Les études fondamentales en science des matériaux bénéficieraient également grandement du développement de sources compactes de lumière à courte longueur d'onde, telles que les rayons X, pilotées par les LPA. Étant donné que le LPA produit intrinsèquement de courts paquets d'électrons, de l'ordre de la femtoseconde, ils sont idéaux pour sonder des matériaux sur des échelles de temps ultrarapides.

Une autre application passionnante de l'accélération laser est la radiothérapie du cancer, où la communauté médicale constate que des doses plus courtes de rayonnement plus fort endommagent moins les tissus sains, ce que l'on appelle «l'effet flash». Ces systèmes laser pourraient révolutionner la radiothérapie.

"Je suis très heureux de voir la grande variété de sciences et d'applications rendues possibles par la deuxième ligne de lumière de BELLA. Celles-ci sont transversales et peuvent avoir un impact sur un certain nombre de programmes du Bureau des sciences, du Département de la défense, des Instituts nationaux de santé, ainsi que dans l'industrie », a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division de la technologie des accélérateurs et de la physique appliquée de Berkeley Lab. + Explorer plus loin

Accélération record du monde :zéro à 7,8 milliards d'électrons-volts en 8 pouces