Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

Dans le vaste monde invisible des particules subatomiques, les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen de créer de puissants faisceaux d'électrons en utilisant la lumière elle-même. Pendant des décennies, la méthode standard consistait à tirer un laser dans un nuage de gaz pour créer une onde, semblable à un bateau se déplaçant dans l'eau, qui capture et accélère ensuite les électrons à des vitesses incroyables. Ce processus, connu sous le nom d'accélération par sillage de champ de laser (laser-wakefield acceleration), est un outil prometteur pour générer des particules de haute énergie sans avoir recours à des machines massives de la taille d'une pièce. Cependant, un défi persistant a été de trouver l'équilibre entre l'énergie de ces particules et leur nombre pur et simple. Les expériences précédentes pouvaient produire soit des électrons très énergétiques, soit une grande quantité d'entre eux, mais rarement les deux à la fois. Cette limitation a tenu à l'écart de nombreux laboratoires plus petits des applications potentielles, telles que la création de bouffées intenses de rayons X pour l'imagerie médicale ou l'étude des conditions extrêmes présentes à l'intérieur des étoiles.

Une équipe de chercheurs de l'installation Laser Mégajoule en France a désormais démontré un moyen de surmonter ce compromis, en générant des faisceaux d'électrons qui sont à la fois incroyablement nombreux et hautement énergétiques. En utilisant une impulsion laser spécialisée et ultra-puissante focalisée sur un jet supersonique de gaz d'hélium, les scientifiques ont créé un environnement unique où deux mécanismes d'accélération différents travaillaient de concert. Le résultat fut un faisceau d'électrons transportant une charge totale dépassant de loin tout ce qui avait été réalisé précédemment dans ce type de configuration, avec des particules individuelles atteignant des énergies allant jusqu'à 500 millions d'électron volts. Lorsque ces électrons ont été projetés contre une cible métallique épaisse, ils ont produit un flash de rayons X durs si intense qu'il transportait l'énergie équivalente à plusieurs Joules en une fraction de seconde. Cette réussite suggère que des sources de particules compactes et de haute puissance deviennent une réalité, ouvrant de nouvelles portes pour sonder les états les plus denses de la matière et créer des sources de rayonnement secondaire pour l'étude scientifique avancée.

L'expérience s'est déroulée au Laser Mégajoule, une installation massive en France conçue pour étudier la physique des hautes densités d'énergie. Les chercheurs ont utilisé un système laser spécifique appelé PETAL, qui délivre une impulsion de lumière durant moins d'un trillionième de seconde mais concentrant assez de puissance pour rivaliser avec la production d'une grande centrale électrique. Au lieu de frapper un bloc de métal solide, le laser a été focalisé dans un flux de gaz d'hélium se déplaçant à des vitesses supersoniques. À mesure que l'intense impulsion laser traversait ce gaz, elle a arraché des électrons aux atomes d'hélium, créant un plasma. La force pure du laser a poussé les électrons du plasma sur le côté, créant un sillage derrière lui, similaire au sillage laissé par un bateau à moteur. Dans ce sillage, de puissants champs électriques se sont formés, prêts à saisir et à accélérer tout électron libre rencontré.

Ce qui a rendu cette expérience distincte était le timing et l'intensité spécifiques de l'impulsion laser. L'impulsion était suffisamment longue, durant environ 700 femtosecondes, pour interagir avec le plasma de manière complexe. Plutôt que de simplement pousser les électrons en une ligne unique et nette, l'impulsion laser a commencé à se fragmenter et à osciller en se déplaçant à travers le gaz. Cette auto-modulation a créé un environnement chaotique mais hautement efficace où deux types d'accélération se sont produits simultanément. Le premier était l'accélération par sillage traditionnelle, où les électrons surfaient sur l'onde du plasma. Le second était l'accélération directe par laser, où les électrons étaient capturés dans le champ électrique oscillant de la lumière laser elle-même et gagnaient de l'énergie directement de celle-ci. La combinaison de ces deux forces a permis aux chercheurs de piéger et d'accélérer un nombre massif d'électrons à des vitesses relativistes, atteignant une charge totale de plus d'un microcoulomb. Il s'agit d'une quantité record pour ce type de système piloté par laser, représentant la charge la plus élevée jamais rapportée pour un accélérateur par sillage de laser selon les connaissances des chercheurs.

Pour mesurer ce qu'ils avaient créé, l'équipe a placé une série de détecteurs sur le chemin du faisceau d'électrons. Un dispositif, situé à six mètres de distance, a utilisé un champ magnétique pour courber les électrons et les séparer par énergie, permettant aux scientifiques de voir toute la gamme de vitesses du faisceau. Ils ont découvert que les électrons possédaient une large distribution d'énergies, un nombre significatif atteignant jusqu'à 500 MeV. Un autre détecteur, placé directement sur le chemin du faisceau, a mesuré le nombre total d'électrons. Les données ont montré que le faisceau transportait une charge de 1,1 microcoulomb, une valeur qui n'avait jamais été atteinte auparavant dans un accélérateur par sillage de laser. Les chercheurs ont confirmé ces mesures grâce à des simulations informatiques détaillées modélisant les interactions laser-plasma, montrant que les résultats expérimentaux correspondaient à leurs prédictions théoriques.

La véritable puissance de ce faisceau d'électrons a été démontrée lorsqu'il a été dirigé vers un empilement de plaques métalliques composées d'indium, de fer et de zirconium. Lorsque les électrons à haute vitesse ont frappé ces métaux lourds, ils ont ralenti rapidement, libérant leur énergie sous la forme d'une bouffée de rayons X durs. Ce processus, connu sous le nom de Bremsstrahlung, a converti l'énergie cinétique des électrons en un faisceau de photons. Le flash de rayons X résultant était incroyablement intense, transportant une énergie totale d'environ 3,3 Joules dans une impulsion plus courte qu'une picoseconde. Cela représente une efficacité de conversion de près de deux pour cent de l'énergie du laser vers l'énergie des rayons X, un chiffre qui égale ou dépasse les records précédents. Les rayons X produits étaient d'une énergie suffisamment élevée pour pénétrer des matériaux denses, les rendant adaptés aux techniques d'imagerie avancées.

La signification de ce travail réside dans sa capacité à produire des faisceaux de haute charge et de haute énergie dans un cadre compact. Les chercheurs ont montré qu'en ajustant soigneusement le laser et la cible gazeuse, ils pouvaient exploiter la nature chaotique du plasma à leur avantage plutôt que de lutter contre elle. Le faisceau d'électrons qu'ils ont généré n'est pas seulement une curiosité scientifique ; c'est un outil pratique. De tels faisceaux peuvent être utilisés pour créer des sources secondaires de rayonnement, comme des neutrons ou des rayons gamma, qui sont essentiels pour la recherche en physique nucléaire et pour l'étude du comportement de la matière sous des pressions et des températures extrêmes. De plus, la capacité de générer ces faisceaux avec un système laser intégré dans une installation plus large comme le Laser Mégajoule signifie que les scientifiques peuvent désormais utiliser ces faisceaux d'électrons pour sonder la matière qui a été compressée et chauffée par d'autres faisceaux laser puissants, offrant un nouveau moyen d'étudier la physique des étoiles et des noyaux planétaires en laboratoire.

L'équipe a également pris grand soin de comprendre exactement comment l'énergie était distribuée au sein du faisceau. Bien que les mesures sur l'axe aient montré une énergie moyenne élevée, les simulations informatiques ont révélé que le faisceau s'écartait considérablement lors de son déplacement. Les électrons au centre même du faisceau étaient les plus énergétiques, tandis que ceux sur les bords avaient des énergies plus faibles. En tenant compte de cet étalement, les chercheurs ont calculé que l'énergie totale transportée par l'ensemble du faisceau était d'environ 17 Joules. Cette vue globale, combinant données expérimentales et modélisation sophistiquée, leur a donné une image claire des propriétés du faisceau et a confirmé que le mécanisme d'accélération était un hybride des deux processus qu'ils soupçonnaient. Le succès de cette expérience suggère que les futures améliorations du système laser, telles que l'amélioration de la focalisation du faisceau, pourraient pousser ces efficacités de conversion encore plus haut.

Cette réussite marque une étape importante dans le domaine de l'accélération laser-plasma, rapprochant cette technologie de l'application pratique. La capacité de générer des faisceaux d'électrons de niveau microcoulomb et des rayons X de plusieurs Joules en une seule décharge offre une nouvelle capacité aux scientifiques qui ont besoin de sources de rayonnement intenses et de courte durée. Les chercheurs ont démontré que l'interaction complexe entre l'accélération par sillage auto-modulée et l'accélération directe par laser pouvait être contrôlée pour produire des résultats fiables et à haut rendement. À mesure que ces techniques seront affinées et intégrées dans des installations plus importantes, elles promettent de permettre de nouvelles expériences en astrophysique, en science nucléaire et en recherche sur les matériaux, permettant à l'humanité de sonder plus profondément les mécanismes fondamentaux de l'univers. Le passage d'un jet de plasma chaotique à un faisceau de haute énergie contrôlé est désormais plus clair, ouvrant la voie à la prochaine génération de sources de particules.