High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

Pour comprendre le travail décrit ici, il faut d'abord saisir le défi fondamental de la physique des particules moderne : comment faire bouger des particules minuscules à des vitesses incroyables. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé des machines massives, souvent longues de plusieurs kilomètres, pour pousser les électrons à des vitesses élevées. Ces machines utilisent des ondes radio pour donner un coup de pouce aux particules, mais la force qu'elles peuvent appliquer est limitée. Si l'on tente de pousser trop fort dans un espace court, la machine se casse ou devient inefficace. Cela a maintenu la taille et le coût de ces accélérateurs à des niveaux énormes, limitant qui peut les utiliser et ce qu'ils peuvent faire.

Une approche différente, connue sous le nom d'accélération par sillage laser (laser wakefield acceleration), offre un moyen de réduire ces machines à la taille d'une pièce. Au lieu des ondes radio, cette méthode utilise une impulsion intense de lumière laser tirée dans un gaz. Le laser est si puissant qu'il arrache les électrons des atomes de gaz, créant un plasma. À mesure que l'impulsion laser traverse ce plasma, elle repousse les électrons sur le côté, créant un sillage derrière elle, tout comme le sillage d'un bateau se déplaçant dans l'eau. Ce sillage crée un champ électrique puissant capable de capturer d'autres électrons et de les accélérer à des vitesses élevées sur une distance très courte. La clé de la réussite de cette méthode est de maintenir le faisceau laser focalisé et fort pendant son trajet à travers le gaz. Si le faislet s'élargit, l'accélération s'arrête. Pendant longtemps, maintenir un faisceau aussi puissant focalisé sur une longue distance était difficile et instable, nécessitant souvent des configurations complexes difficiles à entretenir ou susceptibles d'être endommagées par le laser lui-même.

Des chercheurs de l'installation ELI Beamlines en République tchèque, travaillant avec des collègues de l'Université du Maryland, ont désormais démontré une nouvelle façon de résoudre ce problème de focalisation. Ils ont construit un dispositif expérimental qui utilise uniquement des miroirs pour guider le laser, évitant ainsi tout verre ou lentille qui pourrait être endommagé ou déformé par la chaleur du faisceau puissant. Le cœur de leur innovation est un cône réfléchissant spécial, appelé axicon hors axe, qui aide à façonner le faisceau laser avant qu'il n'entre dans le gaz. Cette configuration leur a permis de créer un canal stable dans du gaz hélium, une alternative sûre et facile à manipuler à l'hydrogène souvent utilisé dans des expériences similaires.

Dans leurs expériences, l'équipe a tiré une impulsion laser d'une durée de seulement 30 femtosecondes — une échelle de temps si courte qu'elle est difficile à imaginer — transportant 13 joules d'énergie. Ils ont divisé cette impulsion en deux parties. Une partie, le moteur principal, a été focalisée pour accélérer les électrons. L'autre partie a été façonnée en un motif particulier en forme d'anneau pour créer un canal préformé dans le gaz d'hélium. Ce canal a agi comme un tube creux pour l'impulsion laser principale, maintenant son foyer serré pendant son trajet à travers le gaz. Les chercheurs ont testé ce système à deux vitesses différentes. À un rythme plus lent de 0,2 tir par seconde, ils ont réussi à accélérer des électrons à des énergies d'environ 5 milliards d'électron volts. C'est une réussite significative, montrant que la méthode peut produire des faisceaux de haute énergie en une seule étape.

L'équipe a également poussé le système à fonctionner à un rythme beaucoup plus rapide de 3,3 tirs par seconde. Bien qu'ils n'aient pas mesuré l'accélération des électrons à cette vitesse plus élevée de la même manière, ils ont prouvé que le faisceau laser pouvait être guidé de manière stable à travers le canal de plasma pendant de longues périodes sans que le système ne se dégrade. C'est une étape cruciale vers la rendre pratique pour un usage quotidien, car des taux de répétition plus élevés signifient plus de données et des faisceaux plus utilisables. L'utilisation de l'hélium était un choix délibéré ; contrairement à l'hydrogène, qui est inflammable et nécessite une manipulation prudente, l'hélium est inerte et plus sûr à manipuler dans une installation qui fonctionne en continu.

Les résultats montrent que cette approche entièrement réfléchissante est robuste. En utilisant des miroirs plutôt que des lentilles, les chercheurs ont évité les distorsions thermiques qui affectent souvent les systèmes laser de haute puissance. Ils ont constaté que les faisceaux d'électrons produits étaient stables en direction et présentaient une faible dispersion, ce qui signifie que les particules restaient ensemble en un groupe serré. L'énergie des électrons a atteint jusqu'à 5 milliards d'électron volts, ce qui est cohérent avec ce que la théorie prédit pour ces conditions. L'équipe a noté que le processus reposait sur un réglage temporel spécifique entre les deux impulsions laser pour créer le canal juste avant l'arrivée de l'impulsion principale, un équilibre délicat que leur système a réussi à maintenir impulsion après impulsion.

Ce travail ne prétend pas avoir résolu tous les problèmes de l'accélération de particules, mais il offre une voie claire vers l'avenir. La méthode est suffisamment simple pour ne pas nécessiter de changements majeurs aux installations laser existantes, ce qui la rend accessible à d'autres centres de recherche pour adoption. En prouvant qu'une accélération stable et de haute énergie est possible avec un gaz sûr et une configuration optique durable, les chercheurs ont levé plusieurs barrières qui freinaient cette technologie. Les résultats suggèrent que les futurs accélérateurs pourraient être construits de manière plus petite, plus sûre et plus fiable, ouvrant potentiellement la porte à de nouvelles applications en médecine et en science des matériaux, ainsi qu'à de nouvelles découvertes en physique fondamentale. Le succès de cette expérience ne réside pas dans une seule percée spectaculaire, mais dans la démonstration constante qu'un problème difficile peut être résolu par une conception simple et durable.