Des scientifiques créent des accélérateurs de particules compacts qui rapprochent des faisceaux d’électrons de la vitesse de la lumière

Des scientifiques ont réussi à mettre au point un accélérateur de particules de poche capable de projeter des faisceaux d’électrons ultra-courts avec une lumière laser à plus de 99,99% de la vitesse de la lumière.

Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont dû ralentir la lumière pour qu’elle corresponde à la vitesse des électrons en utilisant une structure métallique spécialement conçue, doublée de couches de quartz plus fines qu’un cheveu humain.

Cet énorme bond en avant permet de mesurer et de manipuler simultanément des groupes de particules sur des échelles de temps inférieures à 10 femtosecondes (0,000 000 000 000 000 01 secondes, soit le temps nécessaire à la lumière pour parcourir 1/100ème de millimètre). Cela leur permettra de créer des photographies stroboscopiques du mouvement atomique.

Cette démonstration fructueuse ouvre la voie à la mise au point d’accélérateurs à haute énergie, à forte charge et de haute qualité fonctionnant en térahertz (THz), qui promettent d’être moins chers et plus compacts. La réduction de la taille et du coût de la technologie des accélérateurs ouvrira ces incroyables machines à un éventail d’applications beaucoup plus large.

Les accélérateurs de particules sont très répandus et trouvent des applications dans la recherche fondamentale en physique des particules, la caractérisation des matériaux, la radiothérapie dans les hôpitaux, où ils sont utilisés pour traiter les patients atteints de cancer, la production de radio-isotopes pour l’imagerie médicale et le contrôle de sécurité des cargaisons. La technologie de base (oscillateurs à radiofréquence) qui sous-tend ces machines a cependant été développée pour les radars pendant la Seconde Guerre mondiale.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Nature Photonics, une équipe collaborative d’universitaires montre que leur solution unique consiste à utiliser des lasers pour générer des impulsions lumineuses de fréquence térahertz. Le térahertz est une région du spectre électromagnétique située entre l’infrarouge (utilisé dans les télécommandes de télévision) et les micro-ondes (utilisé dans les fours à micro-ondes). Le rayonnement THz généré par les lasers existe dans le régime de longueur d’onde idéal à l’échelle du millimètre, ce qui simplifie la fabrication des structures mais surtout fournit les longueurs de demi-cycle qui sont bien adaptées à l’accélération de grappes d’électrons entières avec des niveaux de charge élevés.

L’auteur principal de l’article, le Dr Morgan Hibberd de l’Université de Manchester, a déclaré : « Le rayonnement THz généré par laser existe dans un régime de longueur d’onde idéal à l’échelle du millimètre, ce qui simplifie la fabrication des structures mais surtout fournit les demi-cycles qui sont bien adaptés à l’accélération de groupes d’électrons entiers avec des niveaux de charge élevés : le principal défi consistait à faire correspondre la vitesse du champ d’accélération de THz à la vitesse du faisceau d’électrons, qui est presque la vitesse de la lumière, tout en empêchant la vitesse intrinsèquement plus faible de l’enveloppe d’impulsion de THz se propageant à travers notre structure d’accélération de dégrader de manière significative la longueur sur laquelle le champ d’accélération et les électrons interagissent ».

« Nous avons surmonté ce problème en développant une source unique de THz qui produit des impulsions plus longues ne contenant qu’une gamme étroite de fréquences, ce qui améliore considérablement l’interaction. Notre prochaine étape consiste à démontrer des gains d’énergie encore plus importants tout en maintenant la qualité du faisceau. Nous prévoyons que cela sera réalisé grâce à des améliorations déjà en cours pour augmenter l’énergie de notre source THz ».

Le professeur Steven Jamison de l’université de Lancaster, qui dirige conjointement le programme, a expliqué : « L’accélération contrôlée de faisceaux relativistes avec des impulsions de type laser à fréquence térahertz est une étape importante dans le développement d’une nouvelle approche des accélérateurs de particules. En utilisant des fréquences électromagnétiques plus de cent fois supérieures à celles des accélérateurs de particules classiques, une avancée révolutionnaire dans le contrôle des faisceaux de particules à l’échelle de la femtoseconde devient possible ».

« Avec notre démonstration de l’accélération térahertz des particules voyageant à 99,99% de la vitesse de la lumière, nous avons confirmé une voie vers la mise à l’échelle de l’accélération térahertz à des énergies hautement relativistes. »

Si les chercheurs envisagent le rôle à long terme de leurs concepts pour remplacer les accélérateurs de recherche à l’échelle de plusieurs kilomètres (comme la source de rayons X européenne de 3 km de long à Hambourg) par des dispositifs de quelques mètres de long, ils s’attendent à ce que les impacts immédiats se fassent sentir dans les domaines de la radiothérapie et de la caractérisation des matériaux.

Le Dr Darren Graham, maître de conférences en physique à l’université de Manchester, a déclaré : « Cette étape n’aurait pas été possible sans l’environnement de collaboration unique offert par l’Institut Cockcroft, qui a permis de réunir des scientifiques et des ingénieurs de l’Université de Lancaster, de l’Université de Manchester et le personnel du STFC au laboratoire de Daresbury ».

yogaesoteric
18 septembre 2020