AWAKE : des électrons accélérés avec succès grâce à la technique de l’accélération plasma

Les collisions réalisées au sein des accélérateurs de particules sont l’outil fondamental des physiciens pour éprouver quotidiennement le Modèle Standard. Toutefois, les coûts opérationnels de collisionneurs comme le LHC, ainsi que ses successeurs, sont élevés et peuvent représenter un obstacle économique pour les politiques publiques. L’une des solutions envisagées est la miniaturisation des accélérateurs de particules, et l’expérience AWAKE menée au CERN pourrait ouvrir une voie très prometteuse vers cet objectif.

Installée en 2016, l’expérience AWAKE  (A proton-driven plasma wakefield acceleration experiment) réalisée au CERN a pour but d’étudier la faisabilité d’une miniaturisation des techniques d’accélération des particules. En effet, les accélérateurs actuels sont souvent des installations de très grande taille avec des coûts de construction et de maintenance élevés. Par exemple, le LHC utilise un tunnel circulaire de 27 km de circonférence pour un coût opérationnel de 4.3 milliards d’euros.

Au-delà d’un potentiel allègement des finances, l’objectif est de réduire les dimensions du collisionneur tout en atteignant des énergies plus élevées. En effet, le LHC permet aujourd’hui d’atteindre une énergie de 14 TeV ; énergie qui pourrait être insuffisante pour mettre en évidence les indices de l’existence d’une nouvelle physique. Les successeurs du LHC devront donc répondre à une double exigence : être plus petits mais également plus puissants.

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C’est cet objectif que poursuit l’expérience AWAKE en accélérant des particules sur de courtes distances via la technique de l’accélération plasma par sillage (ou accélération laser-plasma). Et il y a quelques jours, les physiciens ont annoncé que, pour la première fois, des électrons avaient été accélérés avec succès en utilisant cette méthode.

La technique de l’accélération par champ de sillage plasma

Dans les accélérateurs ordinaires, les particules sont accélérées par l’intermédiaire de cavités radiofréquence ; c’est-à-dire des cavités sous vide dans lesquelles des champs électriques oscillants accélèrent les particules grâce à une alternance de la polarité électrique. Une telle méthode nécessite une longue série de cavités tout au long du parcours de la particule et requiert donc généralement des tunnels de très grandes dimensions.

Dans le cas de l’accélération plasma par sillage, les cavités radiofréquence disparaissent au profit du sillage laissé par une particule dans un plasma. Bien que prometteur, le concept n’est cependant pas nouveau. C’est à la fin des années 1970 que les physiciens Tajima et Dawson proposent une technique d’accélération de particules via des plasmas créés par laser. Et les premiers prototypes apparaissent dès les années 1980.

Le plasma est l’un des quatre états de la matière dans lequel les électrons et les ions se déplacent librement. Généralement, un plasma est obtenu lorsqu’un gaz est soumis à un intense champ électromagnétique (créé à l’aide d’un laser par exemple) ou est chauffé à très haute température. Le gaz ionisé est initialement neutre, mais il est possible de séparer les électrons des ions afin de générer localement des champs électriques très intenses qui accéléreront les particules.

Pour ce faire, plusieurs techniques existent : impulsion laser, faisceau d’électrons ou faisceau de protons. Lorsque l’une de ces sources traverse le plasma, elle produit des ondes de densité électronique sur son passage en faisant osciller les électrons, comme le sillage laissé par un bateau.

C’est ce sillage qui est à l’origine des puissants champs électriques générés localement. Puis, lorsque des particules sont injectées dans le plasma et synchronisées avec les champs électriques, elles peuvent utiliser ces derniers pour se propulser à très haute vitesse sur de courtes distances.

AWAKE : des électrons accélérés pour la première fois via la technique du plasma par sillage

Pour réaliser cette prouesse, l’expérience AWAKE a utilisé un gaz d’atomes de rubidium porté à une température de 200 °C par laser. Une fois le plasma obtenu, c’est le Super Proton Synchrotron (SPS) du CERN — une installation de 7 km fournissant également ses protons au LHC — qui a servi de source au faisceau de protons à 400 GeV utilisés pour créer le sillage dans le plasma sur une distance d’une dizaine de mètres. Chaque paquet de protons du SPS est « découpé » par laser pour correspondre à la longueur d’onde du plasma.

Cette vue panoramique vous permet d’explorer l’installation d’AWAKE au CERN (naviguez à l’aides des boutons de direction) :

Des électrons ont ensuite été injectés dans le plasma avec une énergie initiale de 19 MeV et, grâce à l’effet de sillage, ont été accélérés jusqu’à 2 GeV. Cela représente une accélération d’un facteur d’environ 100. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature. Il s’agit d’une prouesse d’autant plus impressionnante si l’on compare le gradient d’accélération obtenu avec celui d’expériences précédentes.

Le gradient d’accélération est l’énergie par unité de longueur de particules accélérées et est exprimée en volts par mètre (V/m). Le Grand collisionneur électron-positon, en service au CERN entre 1989 et 2000, exploitait des cavités radiofréquence fournissant un gradient d’accélération de 6 MV/m. En atteignant 2 GeV sur 10 m, AWAKE parvient donc à un gradient d’accélération de 200 MV/m.

Dans cette vidéo, Edda Gschwendtner (responsable du projet AWAKE) présente l’expérience et les résultats obtenus (sous-titres disponibles) :

Maintenant que la preuve de concept a été donnée, la prochaine étape est d’améliorer encore la technique afin d’atteindre des énergies plus élevées. Gschwendtner envisage d’atteindre un gradient d’accélération de 1000 MV/m (1 GV/m) dans les prochaines années.

Pour le moment, les physiciens vont continuer d’accélérer des électrons par effet de sillage jusqu’à la fin de l’année 2018. L’installation sera ensuite placée en maintenance pendant deux ans afin d’être améliorée, et de repartir en 2021 pour un nouveau record.

Source : Nature