Ces dernières années, l’accélération de particules par laser a attiré une attention considérable en tant qu’alternative compacte aux accélérateurs radiofréquences conventionnels utilisés dans les expériences de physique des hautes énergies et dans les installations médicales. L'accélération laser est basée sur l'interaction d'impulsions laser intenses avec des plasmas, qui sont des gaz ionisés. Lorsqu’une impulsion laser de haute puissance interagit avec un plasma, elle peut générer de puissants champs électriques et magnétiques capables d’accélérer les électrons et les ions jusqu’à des énergies très élevées.
Cependant, l’un des défis de l’accélération laser est de maintenir la qualité des particules accélérées. Lorsqu’une seule impulsion laser est utilisée pour accélérer des particules, le processus d’accélération peut être instable, entraînant des variations dans l’énergie et les trajectoires des particules accélérées. Cela peut limiter les applications de l’accélération laser dans des contextes pratiques.
Pour surmonter ces défis, des chercheurs de l'Université d'Osaka, dirigés par le professeur Yasuhiko Sentoku, ont exploré une nouvelle approche utilisant plusieurs faisceaux laser. En divisant une seule impulsion laser en plusieurs faisceaux, puis en les recombinant d'une manière spécifique, les chercheurs ont pu obtenir une accélération plus stable et contrôlée des électrons et des ions.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un système laser haute puissance appelé « Installation laser 10 PW » de l'Institut d'ingénierie laser (ILE) de l'Université d'Osaka. Le système laser peut délivrer des impulsions laser ultra-intenses d’une puissance maximale de 10 pétawatts (PW), ce qui équivaut à la consommation électrique totale de l’ensemble des États-Unis.
En utilisant plusieurs faisceaux laser, les chercheurs ont observé une meilleure accélération des électrons et des ions par rapport au cas d’une seule impulsion laser. Les électrons accélérés ont atteint des énergies de plusieurs GeV, tandis que les ions accélérés ont atteint des énergies de plusieurs MeV. La qualité des particules accélérées, en termes de propagation d’énergie et de divergence angulaire, était nettement meilleure en utilisant plusieurs faisceaux laser.
L’amélioration des performances d’accélération des particules a été attribuée à l’interaction plus stable et contrôlée entre les multiples faisceaux laser et le plasma. L'utilisation de plusieurs faisceaux a permis un meilleur contrôle de l'intensité du laser et de la distribution de phase, ce qui a abouti à une accélération plus efficace et à une qualité de faisceau améliorée.
L’équipe de recherche estime que l’utilisation de plusieurs faisceaux laser peut ouvrir la voie au développement d’accélérateurs de particules laser de nouvelle génération, compacts, efficaces et capables de produire des faisceaux de particules de haute qualité. De tels accélérateurs pourraient avoir un large éventail d’applications, notamment la recherche fondamentale en physique des hautes énergies, les sources de rayonnement compactes à des fins médicales et industrielles et les techniques d’imagerie avancées telles que la microscopie à rayons X et la tomographie.
