Pour la première fois, ils ont atteint des énergies qui jusqu’à présent ne semblaient possibles que dans des installations beaucoup plus grandes. Comme le rapporte le groupe de recherche dans la revue Nature Physics , les applications prometteuses en médecine et en science des matériaux sont désormais devenues beaucoup plus probables.

L'accélération laser-plasma ouvre des perspectives intéressantes :par rapport aux accélérateurs conventionnels, elle promet des installations plus compactes et plus économes en énergie, car au lieu d'utiliser de puissantes ondes radio pour faire bouger les particules, la nouvelle technologie utilise des lasers pour les accélérer.

Le principe est que des impulsions laser extrêmement courtes mais de haute intensité sont tirées sur des feuilles très fines. La lumière chauffe le matériau à tel point que d'innombrables électrons en émergent tandis que les noyaux atomiques restent en place.

Comme les électrons sont chargés négativement et que les noyaux atomiques sont positifs, un champ électrique puissant se forme entre eux pendant une courte période. Ce champ peut catapulter une impulsion de proton sur quelques micromètres seulement à des énergies qui nécessiteraient des distances beaucoup plus longues en utilisant la technologie des accélérateurs conventionnels.

Cette technologie en est cependant encore au stade de la recherche :jusqu'à présent, il n'a été possible d'atteindre que des énergies de protons allant jusqu'à 100 MeV et uniquement en utilisant des systèmes laser extrêmement grands, dont il n'existe que quelques-uns dans le monde.

Afin d'obtenir des énergies d'accélérateur similaires avec des installations laser plus petites et des impulsions plus courtes, l'équipe des physiciens du HZDR, Karl Zeil et Tim Ziegler, a adopté une nouvelle approche. Ils exploitent une propriété des flashs laser qui est généralement considérée comme un défaut. "L'énergie d'une impulsion n'apparaît pas immédiatement, ce qui serait le cas idéal", rapporte Ziegler. "Au lieu de cela, un peu d'énergie laser se précipite devant lui, comme une sorte d'avant-garde."

Soudain transparent

Dans le nouveau concept, c'est cette lumière qui avance qui joue un rôle clé. Lorsqu'il heurte une feuille de plastique spécialement fabriquée dans une chambre à vide, il peut la modifier d'une manière spécifique. "La feuille se dilate sous l'influence de la lumière et devient de plus en plus chaude et fine", explique Ziegler. "La feuille fond efficacement pendant le processus de chauffage."

Cela a un impact positif sur l'impulsion primaire qui s'ensuit immédiatement :la feuille, qui autrement refléterait largement la lumière, devient soudainement transparente, ce qui permet à l'impulsion primaire de pénétrer plus profondément dans le matériau que dans les expériences précédentes.

"Le résultat est qu'une cascade complexe de mécanismes d'accélération est déclenchée dans le matériau", explique Ziegler, "ce qui provoque une accélération bien plus importante des protons contenus dans le film qu'ils ne l'étaient par notre laser DRACO."

Alors que l'installation atteignait auparavant des énergies de protons d'environ 80 MeV, elle peut désormais générer 150 MeV, soit presque le double. Pour atteindre ce record, l'équipe a dû mener une série d'expériences pour s'approcher des paramètres d'interaction parfaits, par exemple concernant l'épaisseur optimale des films utilisés.

Lors de l'analyse des données de mesure, le groupe de recherche a découvert que le faisceau de particules accélérées possédait une autre propriété intéressante :les protons de haute énergie présentent une distribution d'énergie étroite, ce qui signifie qu'au sens figuré, ils sont tous à peu près aussi rapides, une caractéristique avantageuse pour des applications ultérieures. — pour lequel des énergies protoniques élevées et uniformes sont extrêmement bénéfiques.

Avantage :Efficacité énergétique

L’une de ces applications consiste à étudier de nouveaux concepts radiobiologiques pour un traitement précis et doux des tumeurs. Grâce à cette méthode, des doses très élevées de rayonnement sont appliquées pendant une très courte période. Jusqu'à présent, pour ces études, on a principalement utilisé des accélérateurs thérapeutiques conventionnels à grande échelle, disponibles uniquement dans quelques centres en Allemagne et qui sont bien entendu prioritaires pour le traitement des patients.

La nouvelle procédure HZDR rend désormais plus probable l'utilisation de systèmes laser compacts, permettant à des groupes de recherche supplémentaires d'accéder à ces investigations et de faciliter les scénarios de rayonnement, que les systèmes conventionnels ne peuvent pas fournir. "De plus, les installations d'aujourd'hui ont besoin de beaucoup d'énergie", explique Ziegler. "Basés sur l'accélération laser plasma, ils pourraient être beaucoup plus économiques."

Cette procédure pourrait également être utilisée pour la génération efficace de neutrons. Les flashs laser peuvent être utilisés pour produire des impulsions neutroniques courtes et intenses, intéressantes pour une utilisation en science et technologie ainsi que pour l'analyse des matériaux.

Ici aussi, les accélérateurs à plasma promettent d’élargir considérablement les domaines d’application précédents. Mais avant tout, les scientifiques souhaitent affiner la nouvelle méthode et mieux la comprendre. Ils souhaitent notamment coopérer avec d’autres laboratoires pour contrôler le processus plus précisément et rendre la technologie plus disponible. Et d'autres records sont également à l'ordre du jour :des énergies supérieures à 200 MeV semblent tout à fait possibles.