Un nouvel accélérateur de particules est piloté par des faisceaux laser courbes – Physics World

Un accélérateur de champ de sillage laser (LWFA) qui guide ses faisceaux laser le long de canaux courbes tout en accélérant les électrons a été créé par Jie Zhang et ses collègues de l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine. La nouvelle technique pourrait être une étape clé vers le développement d'alternatives compactes et peu coûteuses aux accélérateurs de particules conventionnels.

Dans un LWFA, un plasma dense est créé en focalisant une impulsion laser intense dans un gaz. En se déplaçant dans le gaz, l'impulsion crée une région de champs électriques alternatifs - un "champ de sillage" - qui ressemble à une vague d'eau qui se forme dans le sillage d'un bateau en mouvement.

En surfant sur ces ondes, les électrons dans le plasma peuvent être accélérés à de très hautes énergies sur de très courtes distances. En conséquence, cette technique est très prometteuse pour le développement d'accélérateurs beaucoup plus petits que les systèmes conventionnels. De tels dispositifs compacts seraient très utiles pour des applications médicales et de recherche.

Problèmes de réinjection

Pour que les électrons atteignent des vitesses relativistes, l'accélération doit se produire plusieurs fois, les électrons d'un étage LWFA étant injectés dans le suivant. Ce n'est pas facile, en tant que membre de l'équipe Min Chen explique, « étant donné que le sillage est de plusieurs dizaines de micromètres et que sa vitesse est très proche de la vitesse de la lumière, la réinjection d'électrons est extrêmement difficile ». Alors que certaines études récentes ont abouti à la réinjection à l'aide de techniques telles que les lentilles à plasma, les chercheurs n'ont réussi à injecter qu'une petite fraction d'électrons dans un second étage.

En 2018, l'équipe de Zhang et Chen a introduit une nouvelle approche comme le décrit Chen : « Dans notre schéma, les électrons voyagent toujours à l'intérieur d'un canal de plasma droit, où ils peuvent être focalisés par le champ de sillage laser. Le deuxième laser frais est ensuite guidé par un canal de plasma incurvé et fusionné dans le canal droit, tout comme une bretelle d'autoroute.

En permettant aux électrons de voyager le long d'une étape ininterrompue, au lieu de les injecter au début de chaque nouvelle étape, cette approche permettrait aux chercheurs de retenir beaucoup plus de particules pendant l'accélération.

Plasma vacillant

Au début, l'objectif de l'équipe pouvait sembler trop ambitieux. Si un faisceau était même légèrement décentré lorsqu'il fusionnait avec le canal droit, cela pourrait faire vaciller le champ de sillage du plasma – projetant les électrons hors de leurs trajectoires droites et diminuant leur accélération.

L'équipe de Zhang a relevé ce défi en faisant varier la courbure du canal, ce qui a créé des variations dans la densité du plasma à l'intérieur. Avec juste la bonne courbure, ils ont découvert qu'ils pouvaient empêcher le positionnement du faisceau laser d'osciller - de sorte que lorsque des électrons étaient injectés dans la partie droite du canal, le champ de sillage résultant était suffisamment stable pour accélérer les particules à des vitesses plus élevées.

Un nouvel accélérateur d'électrons combine des techniques de champ de sillage laser et plasma

Grâce à leurs dernières expériences, les chercheurs ont découvert un autre avantage de leur approche. "Nous avons constaté que dans certains cas, non seulement le laser peut être guidé, mais il peut également générer un champ de sillage à l'intérieur du canal courbe et accélérer les électrons", explique Chen. "Habituellement, ceux-ci n'étaient trouvés que dans un canal plasma droit. Cela signifie que les électrons laser et à haute énergie peuvent être guidés dans un tel canal de plasma incurvé.

L'équipe estime que ses premiers résultats constituent une étape importante. "Notre expérience montre comment les électrons relativistes peuvent être guidés de manière stable par un canal de plasma incurvé, qui est l'étape critique de notre schéma d'accélération de champ de sillage étagé", a déclaré Chen. "À l'avenir, de tels canaux pourraient être utilisés pour l'accélération du champ de sillage et le guidage des électrons."

S'ils peuvent démontrer un plus grand nombre d'étages d'accélération en utilisant plusieurs canaux courbes, l'équipe de Zhang espère que les énergies de téraélectronvolt pourront un jour être à la portée des LWFA à seulement une fraction de la taille et du coût des accélérateurs de particules modernes. "Pour le moment, nous pouvons dire que notre étude résout une étape critique pour l'accélération du champ de sillage laser par étapes et montre le potentiel d'une source de rayonnement synchrotron compacte", a déclaré Chen.

La recherche est décrite dans Physical Review Letters.

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• La source: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/