Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion

Dans le monde de la physique des hautes énergies, les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen de créer des faisceaux puissants de particules atomiques à grande vitesse en utilisant la lumière plutôt que des machines massives de la taille d'une pièce. Pendant des décennies, la méthode standard consistait à projeter un laser intense sur une cible solide, ce qui arrachait les électrons des atomes et laissait derrière eux une surface chargée positivement. Cette surface agissait alors comme un gigantesque lanceur invisible, projetant les ions — des atomes chargés — vers l'extérieur à des vitesses incroyables. Bien que cette technique, connue sous le nom d'accélération par sheath normale à la cible (Target Normal Sheath Acceleration), ait été fructueuse, elle produit souvent un jet chaotique de particules avec une large gamme d'énergies, ce qui les rend difficiles à utiliser pour des tâches précises comme l'imagerie médicale ou le traitement du cancer. Les chercheurs cherchaient un moyen de générer des faisceaux où presque chaque particule voyage à la même vitesse exacte, une qualité appelée « quasi-monoénergétique », et ce, d'une manière qui permet de diriger le faisceau à l'écart de l'équipement laser délicat qui le crée.

Une équipe de chercheurs de l'Institut national pour la science et la technologie quantiques du Japon et de l'Université d'Osaka a désormais démontré une étape importante dans cette quête. Ils ont utilisé un mécanisme appelé explosion de Coulomb boostée (Boosted Coulomb Explosion), un processus où un laser crée une onde stationnaire de lumière qui expulse les électrons d'un plasma préchauffé, provoquant l'explosion vers l'extérieur des ions lourds restants en un sursaut énergétique serré. Lors d'expériences précédentes, cette explosion n'envoyait les particules que vers le laser, ce qui est problématique car les miroirs et les lentilles nécessaires pour focaliser le laser se trouvent précisément sur ce chemin, bloquant tout instrument tentant de capter le faisceau. Le nouveau travail de l'équipe montre cependant qu'en utilisant une feuille d'aluminium très mince recouverte d'une couche d'eau lourde, ils peuvent déclencher cette explosion de manière à envoyer un faisceau propre de deutérons — des atomes d'hydrogène lourd — jaillir simultanément de l'avant et de l'arrière de la cible.

L'expérience s'est déroulée à l'installation de l'expérience de l'allumage rapide par laser (Laser for Fast Ignition Experiment), où quatre impulsions laser synchronisées ont été combinées pour délivrer une décharge massive d'énergie sur une cible minuscule. La cible elle-même était une feuille d'aluminium de seulement 1,5 micromètre d'épaisseur, soit environ la largeur d'une bactérie unique, avec une couche microscopique d'eau lourde déposée sur un côté. Lorsque le laser a frappé la cible, une pré-impulsion de lumière est arrivée quelques trillièmes de seconde plus tôt pour transformer la couche d'eau lourde en un nuage de plasma chaud et en expansion. L'impulsion laser principale a ensuite suivi, interagissant avec ce nuage pour créer la force explosive. Parce que la feuille d'aluminium était si fine, le laser a pu percer la cible en cours d'interaction, un phénomène connu sous le nom de transparence relativiste. Cette percée a permis au processus d'accélération de se produire des deux côtés de la feuille, plutôt que seulement du côté faisant face au laser.

Les résultats ont été frappants. Sur le côté faisant face au laser, l'équipe a mesuré un faisceau de deutérons avec une énergie moyenne de 20,4 millions d'électron volts, avec une dispersion de vitesse très étroite. Sur le côté opposé, l'arrière de la cible, ils ont détecté un faisceau encore plus impressionnant de 23,8 millions d'électron volts. Ce qui rendait le faisceau arrière particulièrement spécial était sa pureté ; il manquait les particules de fond à basse énergie et désordonnées qui encombrent souvent de telles mesures. Les chercheurs ont découvert que la finesse de l'aluminium était le facteur clé. Dans des cibles plus épaisses, le laser rebondit sur la surface, créant une onde durable qui pousse les particules uniquement vers l'avant. Dans cette cible mince, le laser traverse la matière, raccourcissant la durée de la poussée mais permettant aux particules accélérées de passer à travers le matériau et d'émerger de l'autre côté. Les simulations informatiques ont confirmé ce tableau, montrant comment l'impulsion laser pénètre la cible et comment l'onde stationnaire s'effondre, tout en parvenant à accélérer un nombre significatif de particules vers l'arrière.

Cette découverte change les possibilités pratiques d'utilisation des sources d'ions pilotées par laser. Auparavant, la direction du faisceau était un obstacle majeur, car l'optique du laser bloquait le chemin des diagnostics et des applications potentielles. En parvenant à un faisceau bidirectionnel, les chercheurs ont ouvert une voie claire pour placer des détecteurs ou des dispositifs de traitement derrière la cible, à l'écart de l'éclat du laser. Le fait que le faisceau arrière soit non seulement de haute énergie, mais aussi exempt de bruit à basse énergie, suggère qu'il pourrait être une source hautement efficace pour les technologies futures. Bien que l'énergie de crête des particules ait été légèrement inférieure à celle obtenue avec des cibles plus épaisses dans des études antérieures, la qualité et la directionnalité du faisceau représentent une avancée majeure dans le contrôle de la naissance et de la trajectoire de ces particules. Ce travail approfondit la compréhension de l'interaction entre la lumière et la matière à des vitesses extrêmes, prouvant que l'épaisseur d'une cible peut être utilisée comme un cadran de précision pour contrôler la direction et la qualité du faisceau de particules résultant.