Des chercheurs capturent une image détaillée de l’accélération des électrons en une seule fois

L’ajustement des méthodes expérimentales a permis d’obtenir le premier diagnostic « en un seul coup » de l’accélération des électrons via un accélérateur de champ de sillage laser le long d’une trajectoire courbe, selon une étude récente menée par des chercheurs de l’Université du Michigan. Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d’examen physique.

Cette technique optique pourrait aider les ingénieurs à développer des accélérateurs d’électrons plus puissants pour les études fondamentales de la physique quantique et des particules, ou des accélérateurs plus compacts destinés à être utilisés en médecine et dans l’industrie.

Comparés aux accélérateurs traditionnels qui peuvent mesurer des kilomètres de long, les accélérateurs laser à champ de sillage peuvent appliquer 1 000 fois plus d’énergie par mètre, ce qui permet une conception beaucoup plus compacte capable de s’intégrer dans une grande pièce.

L’appareil envoie un laser à travers une vapeur, créant un plasma ionisé, puis sépare les électrons des ions, ce qui crée un « champ de sillage », semblable au sillage que laisse un bateau lorsqu’il se déplace dans l’eau. Il injecte ensuite un faisceau d’électrons dans l’accélérateur qui « surfe » sur le sillage, gagnant rapidement de l’énergie.

“Le faisceau de particules qui sort d’un accélérateur laser à plasma est si court qu’il faudrait moins de temps à la lumière pour traverser la largeur d’un cheveu. L’ensemble du processus d’accélération est si rapide, sur un billionième de à une deuxième échelle de temps, qu’il est extrêmement difficile de mesurer”, a déclaré Alexander Thomas, professeur de génie nucléaire et de sciences radiologiques, de génie électrique, d’informatique et de physique à l’UM et auteur principal de l’étude.

Jusqu’à présent, les processus d’accélération des électrons ont été mesurés au moyen de plusieurs expériences expérimentales, appelées mode multi-shot, mais ces méthodes reposent sur la stabilité et la reproductibilité de l’accélérateur, laissant ainsi une marge de variation entre les expériences.

“Il est essentiel de diagnostiquer avec précision le processus d’accélération des électrons pour maximiser le gain d’énergie des électrons. Cela pourrait constituer une étape cruciale pour faire avancer le développement des futurs collisionneurs de leptons de niveau téraélectronvolt (TeV) utilisés pour comprendre les lois fondamentales de la nature”, a déclaré Thomas. .

L’équipe de recherche a réalisé un diagnostic d’accélération électronique en un seul coup au cours d’une expérience menée sur un accélérateur laser à champ de sillage à la source de lumière laser avancée de l’Institut national de la recherche scientifique à Québec, Canada.

La technique repose sur un phénomène qui se produit lors de l’accélération du champ de sillage laser connu sous le nom de « rayonnement X bêtatronique » où les électrons émettent des photons de haute énergie dans la région des rayons X du spectre électromagnétique tout en oscillant transversalement.

« Dans notre travail, nous dirigeons la lumière laser intense avec une rampe de densité de plasma de sorte que la lumière laser suive une trajectoire courbe, comme le fait le faisceau d’électrons accéléré dans le sillage de la lumière laser », a déclaré Yong Ma, chercheur adjoint en génie nucléaire et sciences radiologiques à l’UM et auteur correspondant de l’étude.

Les photons émis par l’électron suivent toujours la direction tangente de sa trajectoire instantanée. Ainsi, les photons émis à différents moments apparaissent sous différents angles et donc à différents emplacements spatiaux sur un écran.

Les propriétés des photons, à savoir leurs énergies et leur distribution angulaire, sont entièrement déterminées par les propriétés du faisceau électronique. Par conséquent, en mesurant les propriétés du photon résolu spatialement, les chercheurs ont pu reconstituer le processus d’accélération des électrons à partir d’une seule expérience.

« Nous avons eu cette idée de base en utilisant la technique dite de « stries bêtatrons » il y a sept ans et nous avons démontré sa faisabilité à l’aide de simulations numériques. C’était une expérience assez passionnante et amusante de réaliser une expérience basée sur des simulations numériques et d’obtenir les résultats expérimentaux attendus. ” dit Maman.

“C’est un excellent résultat qui pourrait ouvrir de nouvelles voies pour une compréhension détaillée des accélérateurs laser-plasma”, a déclaré le Dr Daniel Seipt de l’Institut Helmholtz de Jena, auteur principal de l’étude qui a fourni le soutien théorique.

Les résultats pourraient trouver des applications dans le contrôle avancé de la propagation des faisceaux laser et des particules, par exemple dans le développement de canaux plasma incurvés pour coupler des accélérateurs de champ de sillage laser à plusieurs étages.

Un accélérateur à champ de sillage à plusieurs étages permettrait de surmonter les limitations énergétiques d’un accélérateur à un seul étage, permettant ainsi d’obtenir des énergies plus élevées pour les particules. Ces hautes énergies pourraient être utilisées pour des expériences de mécanique quantique, similaires à celles réalisées sur le Grand collisionneur de hadrons du CERN, mais à une échelle plus petite et moins coûteuse.

Au-delà de l’exploration quantique, les accélérateurs de champ de sillage laser à plusieurs étages pourraient éventuellement être utilisés de manière pratique pour la destruction ciblée de tumeurs dans les traitements contre le cancer ou pour la découpe de matériaux avec des dommages thermiques limités dans les environnements industriels.