Accélération de Wakefield laser

Accélération du champ de sillage laser est une technique qui utilise une impulsion laser intense pour accélérer des électrons à des énergies très élevées sur une distance extraordinairement courte – des machines potentiellement rétrécies qui remplissent aujourd'hui des kilomètres jusqu'à la taille d'une table. Proposé par Toshiki Tajima et John Dawson en 1979, il est devenu l’une des voies les plus prometteuses vers des accélérateurs de particules compacts et abordables.

Surfer sur une vague dans le plasma

L'astuce consiste à faire passer une vague à travers plasma — un gaz si chaud ou ionisé que ses électrons ont été retirés de leurs atomes. Lorsqu’une impulsion laser ultra-courte et ultra-intense traverse le plasma, sa pression de rayonnement écarte les électrons légers du plasma, laissant derrière elle une bulle de charge positive. Les électrons déplacés reviennent et dépassent, créant un onde plasma qui traîne le laser comme le sillage derrière un hors-bord. Un groupe d'électrons correctement positionnés peut « surfer » sur ce sillage, chevauchant son énorme champ électrique et gagnant continuellement de l'énergie.

Pourquoi c'est révolutionnaire

L'avantage est la force du champ accélérateur. Les accélérateurs conventionnels sont limités car leurs cavités métalliques se brisent (étincelles) au-dessus d'environ 100 millions de volts par mètre. Le plasma est déjà décomposé – il est ionisé – et peut donc supporter des champs des milliers de fois plus puissants, de l’ordre de 100 milliards de volts par mètre. Une augmentation d'énergie qui prend plusieurs mètres sur une machine conventionnelle peut être obtenue en millimètres. Des expériences ont accéléré des électrons jusqu’à plusieurs milliards d’électrons-volts dans seulement quelques centimètres de plasma.

Applications et défis

Les accélérateurs à plasma compacts promettent des sources moins coûteuses d’électrons de haute énergie et des rayons X brillants qu’ils génèrent, avec des utilisations allant de la science des matériaux et de la médecine à l’imagerie et, potentiellement, aux futurs collisionneurs de physique des hautes énergies. Les principaux défis sont le contrôle et la cohérence : maintenir le laser, le plasma et le paquet d'électrons parfaitement adaptés afin que le faisceau de sortie soit stable, bien focalisé et reproductible. De nombreuses recherches actuelles ciblent précisément ces obstacles techniques.

Une idée fausse courante

Le laser ne pousse pas directement les électrons vers une énergie élevée. Le travail du laser est de créer et façonner l'onde plasma; c’est le champ électrique de cette onde – et non la lumière elle-même – qui accélère. Les électrons tirent leur énergie du mouvement collectif du plasma, le laser agissant comme moteur.