À vingt-cinq pieds sous terre, Spencer Gessner, scientifique du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, ouvre un grand panier de pique-nique en métal. Ce n'est pas un panier de pique-nique typique rempli de fromage, de pain et de fruits :il contient des vis, des boulons, des tubes en acier et de nombreuses autres pièces qui transportent des particules presque à la vitesse de la lumière. Les composants sont disposés précisément pour accomplir un travail important :aider à alimenter des paquets d'électrons se déplaçant rapidement dans la matière dont est constitué le soleil :le plasma.
"Nous essayons de construire ici la prochaine génération de petits et puissants accélérateurs de particules", explique Gessner. "L'objectif est de pousser les particules vers des énergies plus élevées sur des distances plus courtes. Cela pourrait aider à concevoir des accélérateurs compacts qui s'intègrent à l'intérieur d'un laboratoire universitaire ou d'un hôpital, ou constituer une option pour un collisionneur de particules à haute énergie dans le futur."
Gessner et de nombreux autres chercheurs du SLAC et du monde entier souhaitent rendre les futurs accélérateurs 100 à 1 000 fois plus petits que les accélérateurs traditionnels. L’objectif n’est pas nécessairement de remplacer les installations d’accélérateurs les plus puissantes au monde, mais plutôt de fournir une nouvelle option aux personnes et aux lieux qui recherchent un accès à la science des accélérateurs, et potentiellement d’améliorer les accélérateurs de pointe existants. Par exemple, des lasers à électrons libres (XFEL) plus petits et moins puissants pourraient constituer un outil scientifique avancé pour explorer la matière à l'échelle atomique entre les mains d'un plus grand nombre de scientifiques.
Gessner travaille au Centre de tests expérimentaux avancés d'accélérateurs II (FACET-II) du SLAC, qui se concentre principalement sur une technique appelée accélération du champ de sillage plasma. Lors de l'accélération du champ de sillage plasma, les chercheurs envoient des faisceaux de particules à travers le plasma, un gaz ionisé extrêmement chaud qui est souvent composé d'ions d'hélium ou d'hydrogène, comme le soleil.
"Lorsque le faisceau traverse le plasma, un sillage est créé, semblable au sillage créé derrière un bateau qui fonce dans l'eau d'un lac", a déclaré Gessner. "Nous pouvons ensuite injecter des électrons dans le sillage du plasma et ces particules chevauchent sur l'onde, atteignant des énergies plus élevées sur des distances plus courtes."
FACET-II utilise une partie de l'accélérateur linéaire du SLAC, long de trois kilomètres, pour générer ces faisceaux d'électrons. À leur apogée, les faisceaux sont si intenses qu’aucun matériau ne peut y résister. Les champs extrêmes du faisceau arracheraient les électrons des atomes et vaporiseraient instantanément tout matériau se trouvant sur le trajet du faisceau. La solution est de commencer par un plasma, qui supprime les limitations des matériaux conventionnels et permet une très forte accélération.
Mais pousser des particules vers des énergies extrêmement élevées sur des distances plus courtes pose de nombreux problèmes difficiles. Les chercheurs continuent de progresser pour résoudre ces problèmes et transformer ce qui pourrait ressembler à de la science-fiction en réalité.
Les travaux expérimentaux sur l'accélération du champ de sillage par plasma ont débuté au SLAC il y a une vingtaine d'années, bien que le concept général ait été évoqué dans des articles depuis la fin des années 1970 et le début des années 1980. Il existe trois principaux types de recherche sur les champs de sillage plasma en cours dans le monde, regroupés selon la source d'énergie qui crée le sillage :soit un faisceau d'électrons, un faisceau laser de haute puissance ou un faisceau de protons.
L'une des premières questions auxquelles les chercheurs ont dû répondre était de savoir s'il était même possible de concrétiser l'idée théorique des champs de sillage plasmatiques en laboratoire, a déclaré Mark Hogan, directeur de FACET-II. Les chercheurs ont réussi à accomplir cette tâche au SLAC à la fin des années 1990 et ont été les premiers à franchir la barrière du GeV, qui est le niveau d'énergie généralement associé aux installations à très grande échelle. Ils ont pris une poignée d'électrons et les ont accélérés à de très hautes énergies en utilisant des champs de sillage plasma.
Hogan a déclaré que les chercheurs ont ensuite été confrontés à la prochaine grande question :comment passer d'une poignée de particules avec une large gamme d'énergie à un faisceau de particules avec une propagation d'énergie relativement faible. Cela signifie s’assurer que les électrons ne sont pas dispersés partout dans un accélérateur, mais voyagent plutôt ensemble dans un paquet serré. Les chercheurs ont accompli cette tâche dans les années 2010 à FACET, l'installation précédant FACET-II, a déclaré Hogan.
"Alors maintenant, la question pour FACET-II est de savoir si vous pouvez faire toutes ces choses en même temps - exploiter les grands champs pour produire des faisceaux à haute énergie avec une faible propagation d'énergie - et également créer un faisceau de haute qualité sur de plus longues distances", a déclaré Hogan. . "C'est une question clé que nous étudions actuellement à FACET-II :pouvons-nous préserver la qualité des faisceaux d'électrons tout en augmentant leur énergie très rapidement sur des distances significatives ?"
En regardant encore plus loin, les scientifiques devront trouver comment relier ensemble de nombreuses sections d’accélérateurs à plasma pour atteindre les énergies incroyablement élevées nécessaires à la physique des particules du futur collisionneur. "Alors que pour construire un XFEL qui repose sur l'accélération du champ de sillage du plasma, vous n'aurez peut-être besoin que d'un seul étage de plasma, pour atteindre l'énergie du niveau d'un collisionneur de particules, vous aurez besoin de plusieurs étages", a déclaré Hogan.
Plus tôt cette année, une équipe du SLAC, de l'Université de Strathclyde et d'autres institutions a fait un grand pas en avant dans la recherche sur l'accélération du champ de sillage plasma. Ils ont développé une simulation informatique qui a montré comment un accélérateur de plasma peut générer des faisceaux d'électrons précis et de haute qualité en contrôlant la luminosité d'un faisceau.
La gestion de la luminosité du faisceau est un défi car il existe trois valeurs de paramètres clés qui changent considérablement au cours du trajet emprunté par les particules. Le modèle de l'équipe a montré comment optimiser ces paramètres dès le début de l'expérience, lorsque le faisceau est encore dans le plasma.
Plus précisément, l’équipe de recherche a calculé comment gérer la luminosité des électrons en contrôlant le courant du faisceau, qui décrit le nombre d’électrons qui composent le faisceau ; l'émittance, qui correspond à la façon dont les électrons se propagent lorsqu'ils se propagent dans l'espace ; et la propagation de l'énergie, qui décrit la plage des vitesses des électrons. Ils ont publié leurs résultats dans Nature Communications .
"Avec ce modèle, nous pouvons tester comment améliorer l'émittance et la luminosité du faisceau électronique dans notre conception compacte, peut-être par ordres de grandeur", a déclaré Hogan, co-auteur de l'article. "Extraire les faisceaux d'électrons des accélérateurs de plasma tout en préservant leur qualité est crucial pour notre mission de physique des hautes énergies ainsi que pour la science des rayons X."
À l’avenir, les chercheurs tenteront de créer des configurations hybrides d’un XFEL compact, une version qui pourrait permettre une interaction entre plusieurs impulsions laser à rayons X et des faisceaux ultralumineux. FACET-II pourrait être le lieu idéal pour tester ces idées hybrides, maintenant que le cadre de simulation du début à la fin est établi, ont déclaré les chercheurs.
Un autre pas en avant dans la recherche sur l'accélération du champ de sillage plasma a été réalisé récemment lorsque des chercheurs ont montré comment relier les étages d'un accélérateur à plasma pour créer un accélérateur plus long et plus puissant. Ce type d'accélérateur pourrait être utilisé à l'avenir pour créer des faisceaux de très haute énergie dans un collisionneur de particules.
L'équipe de recherche, qui comprenait le scientifique du SLAC Alexander Knetsch et des chercheurs de l'Institut Polytechnique de Paris et d'autres intuitions, a montré comment utiliser plusieurs faisceaux d'entraînement pour maintenir la qualité du faisceau et augmenter l'énergie.
Dans leur méthode, un faisceau d’entraînement ouvre la voie à travers le plasma, créant un sillage – l’idée standard en matière d’accélération du champ de sillage du plasma. Derrière ce faisceau d'entraînement suit le faisceau d'électrons primaire, appelé faisceau arrière, qui sera poussé à des énergies élevées pour les expériences – encore une fois, l'approche standard. Mais avec le temps, le faisceau de transmission perd de l'énergie, comme un cycliste de tête perdant de l'énergie après avoir combattu le vent pour les coureurs derrière. L’équipe de recherche a donc montré comment remplacer l’ancienne poutre de transmission fatiguée par une nouvelle poutre de transmission neuve. Cette technique aide le faisceau d'électrons arrière à continuer à gagner de l'énergie.
Cependant, remplacer l'ancienne poutre de transmission par une nouvelle est plus difficile que de remplacer un cycliste en tête d'une course cycliste. L'ancien faisceau d'entraînement se déplace toujours à la vitesse de la lumière, donc pour effectuer le changement, la méthode utilise des aimants dipolaires qui forment une chicane, c'est-à-dire deux routes, l'une plus longue que l'autre, qui se rejoignent après s'être séparées. Les chicanes permettent au faisceau de route de s'écarter tandis que le faisceau de fuite continue avec un nouveau faisceau de route.
De plus, les chercheurs ont montré comment transporter ce faisceau à travers chaque étage de plasma à l'aide de lentilles de focalisation qui aident le faisceau arrière à rester sur sa trajectoire pendant que les échanges de faisceaux d'entraînement ont lieu. Les chercheurs ont publié un article décrivant l'idée en septembre dans Physical Review Letters. .
Parallèlement à l’accélération du champ de sillage du plasma, les chercheurs ont d’autres idées sur les moyens d’accélérer les particules sur des distances plus courtes. L'une de ces idées sera construite à l'Arizona State University (ASU) avec la collaboration d'Emilio Nanni du SLAC et d'autres. La conception utilise des lasers (plutôt que de simples aimants) pour faire bouger les électrons à l'intérieur d'un XFEL afin de produire de puissants rayons X nécessaires aux expériences.
Dans les XFEL traditionnels, des aimants puissants font bouger un faisceau de particules pour générer des rayons X. La ligne d’aimants peut être longue, ce qui signifie que la longueur totale du FEL sera longue. Mais et si un FEL n’avait pas besoin d’une ligne complète d’aimants pour faire danser les particules et émettre des rayons X ? C’est la question qui a contribué à la conception du XFEL compact, qui utilise un faisceau laser pour frapper le faisceau de particules, aidant ainsi le faisceau à se tortiller et à produire de puissants rayons X. Les lasers signifient que moins d'aimants oscillants pourraient être nécessaires, ce qui entraînerait un FEL global plus court si l'idée fonctionne dans la pratique.
Le XFEL compact sera construit au cours des cinq prochaines années sur le campus de l'ASU Tempe. Construire de petits accélérateurs plus compacts est une bonne chose pour la science, affirment les chercheurs. Cela signifie qu'un plus grand nombre de personnes et de lieux pourront accéder aux accélérateurs de particules, qui ont été l'un des outils scientifiques les plus importants au cours des 100 dernières années.
De retour dans le tunnel de l'accélérateur, Spencer Gessner ferme le couvercle du panier de pique-nique et se dirige vers une longue table. Ici, Doug Storey, un autre scientifique du SLAC, se tient debout et travaille sur un ordinateur portable, examinant les données sur les performances du faisceau. La table s'appelle la table de décharge de faisceau, et c'est la principale zone de diagnostic post-plasma pour mesurer ce qui est arrivé au faisceau d'électrons après l'accélération du champ de sillage du plasma, a déclaré Storey.
"Cette table est l'endroit où le caoutchouc rencontre la route, pour ainsi dire", a-t-il déclaré. "Il dispose d'un certain nombre de caméras de diagnostic, qui mesurent les paramètres clés nécessaires à la démonstration réussie de l'accélération du champ de sillage plasma."
Les caméras sur la table ressemblent à des panneaux d’arrêt à une intersection. Ils sont montés sur des tiges et orientés dans des directions différentes, chacun collectant différents types de données sur l'énergie du faisceau accéléré à une infime fraction de pour cent et la taille du spot du faisceau à moins de quelques micromètres, qui sont des indicateurs clés de la luminosité du faisceau. , a déclaré Storey. De plus, certaines caméras visualisent les rayons X et gamma produits lorsque le faisceau traverse le plasma. Ces informations aident les scientifiques à comprendre comment améliorer la qualité de l'accélération du plasma, a déclaré Storey.
Storey regarde son ordinateur portable et recommence à travailler. Gessner passe devant lui et retourne vers le début de l'établissement. Il montre la voie à suivre pour sortir de l'accélérateur, où la prochaine génération d'accélérateurs plus petits et plus puissants est en train de cuire.
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , Communications naturelles
Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
