Demonstration of a 10-metre-long discharge plasma source for plasma wakefield acceleration
Cet article rend compte de la caractérisation expérimentale réussie et de la validation par faisceau d'une source de plasma à décharge DC pulsée de 10 mètres de long comme alternative reproductible et uniforme à la vapeur ionisée par laser pour piloter l'accélération par plasma wakefield dans l'expérience AWAKE.
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Pour comprendre l'ambition de ce travail, il faut d'abord saisir le défi que représente la construction de la prochaine génération d'accélérateurs de particules. Les machines traditionnelles, comme les énormes anneaux qui font le tour de la Terre, s'appuient sur des ondes radio pour pousser les particules vers l'avant. Bien qu'efficaces, ces ondes ne peuvent fournir qu'une certaine quantité de poussée avant de se rompre, forçant les scientifiques à construire des machines de centaines de kilomètres de long pour atteindre les énergies les plus élevées nécessaires pour sonder les secrets fondamentaux de l'univers. Une alternative plus compacte consiste à utiliser le plasma, un gaz chaud et électriquement chargé, pour créer des champs de sillage (wakefields). Imaginez un bateau se déplaçant dans l'eau ; il laisse derrière lui une traînée d'ondes. Si un paquet de particules traverse un plasma, il crée un sillage similaire. Si un second paquet de particules chevauche ce sillage au moment précis, il peut être accéléré à des vitesses incroyables sur une distance très courte. Le problème est que pour atteindre les niveaux d'énergie requis pour la physique des hautes énergies, cette accélération doit se produire sur une section de plasma beaucoup plus longue que ce qui a jamais été créé avec succès dans un seul tube uniforme.
L'expérience décrite dans cet article, menée au CERN à Genève, s'attaque à cet obstacle spécifique. Les chercheurs, membres de la collaboration AWAKE, ont testé avec succès une nouvelle méthode pour créer une colonne de plasma de dix mètres de long, suffisamment stable et uniforme pour être utilisée pour ces accélérations à haute vitesse. Pendant des années, l'équipe s'est appuyée sur un laser pour ioniser de la vapeur de rubidium, la transformant en plasma. Bien que cette méthode fonctionne bien pour des distances courtes, le laser lui-même devient un facteur limitant lorsqu'il s'agit d'étendre la colonne de plasma aux dizaines ou centaines de mètres requis pour les futures machines. L'équipe avait besoin d'une approche différente capable de monter en échelle sans perdre le contrôle précis nécessaire pour maintenir les particules sur leur trajectoire. Ils se sont tournés vers une décharge électrique, un processus similaire à la formation d'un éclair, mais soigneusement contrôlé et répété.
Les chercheurs ont construit un tube en verre de dix mètres de long et l'ont rempli de gaz nobles, spécifiquement de l'hélium, de l'argon et du xénon. Au lieu d'utiliser un laser, ils ont appliqué une impulsion électrique à haute tension au gaz. Cette impulsion arrache les électrons aux atomes de gaz, transformant instantanément le gaz en plasma. La clé de leur succès a été une technique de « double impulsion ». La première impulsion sert d'étincelle pour enflammer le gaz, tandis qu'une seconde impulsion, légèrement plus longue, chauffe le plasma pour l'amener à un état stable. Ce processus en deux étapes permet au plasma de se former de manière fiable et constante, événement après événement. L'équipe a fait fonctionner ce système des milliers de fois, testant ses performances avec chacun des trois gaz différents. Ils ont constaté que la décharge électrique pouvait produire de manière constante des densités de plasma adaptées à l'accélération, allant de cent mille milliards à un quadrillion d'électrons par centimètre cube.
Pour vérifier que le plasma se comportait exactement comme prévu, les chercheurs n'ont pas seulement observé le gaz ; ils ont utilisé le faisceau de particules lui-même comme outil de mesure. Ils ont projeté des paquets de protons de haute énergie provenant du Super Proton Synchrotron à travers le plasma. Lorsque ces protons traversent le plasma, ils se fragmentent naturellement en un train de minuscules micro-paquets, un phénomène connu sous le nom d'auto-modulation. La vitesse à laquelle ces micro-paquets se forment est directement liée à la densité du plasma. En mesurant la fréquence de ce motif, les scientifiques ont pu calculer la densité du plasma à l'intérieur du tube. Ils ont comparé ces mesures basées sur le faisceau avec des mesures indépendantes en laboratoire réalisées par interférométrie laser, une technique qui mesure le décalage des ondes lumineuses lorsqu'elles traversent le gaz. Les deux méthodes concordaient remarquablement bien, confirmant que la décharge électrique créait un plasma avec la densité appropriée.
Le résultat le plus critique fut peut-être la cohérence du système. Pour qu'un accélérateur de particules fonctionne, le plasma ne peut pas fluctuer de manière sauvage d'un instant à l'autre ; il doit être reproductible. L'équipe a mesuré la variation de la densité du plasma d'une décharge électrique à l'autre et a constaté qu'elle était inférieure à un pour cent. Ce niveau de stabilité est comparable aux performances du système à base de laser qu'ils remplacent, prouvant que la décharge électrique est une alternative viable. Le système a fonctionné de manière fiable sur une période de trois semaines et plus de vingt mille cycles de décharge, montrant qu'il peut supporter les rigueurs d'un fonctionnement continu. De plus, les chercheurs ont démontré qu'en ajustant simplement le délai entre l'impulsion électrique et l'arrivée du faisceau de protons, ils pouvaient accéder à différentes densités de plasma au sein du même tube, offrant un moyen flexible de régler l'expérience sans modifier le matériel.
Ce travail établit qu'une source de plasma de dix mètres de long pilotée par décharge électrique est non seulement possible, mais aussi robuste et reproductible. Cela ouvre la voie à l'extension de ces sources à des longueurs encore plus importantes, atteignant potentiellement les centaines de mètres nécessaires pour les futurs collisionneurs de haute énergie. Bien que la conception actuelle soit adaptée aux besoins spécifiques de l'expérience AWAKE, le principe sous-jacent consistant à utiliser des décharges électriques pour créer de longues colonnes de plasma uniformes pourrait être appliqué à d'autres projets d'accélération à base de plasma. Le succès de ce prototype de dix mètres suggère que le chemin vers la construction d'accélérateurs de particules beaucoup plus grands, plus puissants et plus compacts devient plus clair, passant de concepts théoriques à une technologie concrète et opérationnelle.
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