Vers un LHC miniature avec le laser Bella

On aimerait bien miniaturiser des accélérateurs de particules comme celui du LHC, ou d’autres utilisés pour étudier les matériaux et les systèmes biologiques. On développe pour cela la technique de l’accélération laser-plasma. Ce 20 juillet 2012, le Bella, Berkeley Lab Accelerator laser, a ainsi battu un record du monde en délivrant des impulsions laser d’1,3 pétawatt de puissance.

Le LHC pourrait ne découvrir que des signes indirects d’une nouvelle physique ne devant se manifester clairement que juste au-dessus d’une énergie de 14 TeV dans des collisions. Pour l’explorer, des accélérateurs plus puissants seraient alors une nécessité bien motivée. Mais le prix et la taille des successeurs du HC pourraient faire reculer les gouvernements. Sans aucun doute, si de tels accélérateurs étaient tout à la fois plus petits, plus puissants et moins onéreux, les financements seraient plus faciles à trouver. Mais même sans parler du LHC, toute miniaturisation des accélérateurs déjà existants, qui les ferait passer de la taille d’une usine à celle d’une pièce, serait la bienvenue.

Dès 1979, les physiciens américains Tajima et Dawson avaient proposé d'utiliser des plasmas créés avec des impulsions laser pour accélérer des particules. La technique de l'accélération laser-plasma combine ainsi deux disciplines qui se sont fortement développées à partir des années 1960 : celle du plasma et celle du laser. Il faut dire que les enjeux étaient importants car la maîtrise des deux représente des voies d’accès possibles pour la fusion contrôlée.

Pour la technique d’accélération laser-plasma, ce n’est pas une impulsion laser en elle-même qui est utilisée directement pour accélérer des particules chargées, comme les électrons. En effet, une impulsion lumineuse produit des champs électriques oscillants perpendiculairement à sa direction de propagation. On cherche à produire des champs électriques très intenses, créant des différences de potentiel fortes sur de courtes distances, le long de la direction de propagation du faisceau de particules que l’on veut créer.

En faisant passer une impulsion laser de la puissance la plus grande possible dans un milieu, comme de l'hélium sous forme gazeuse, on provoque d’abord l’ionisation de ce gaz et la formation d’un plasma. Dans ce plasma, il apparaît ensuite l’équivalent des ondes sous forme de sillage laissées à la surface de l’eau par un bateau. Ce sont ces ondes de densité d'électrons, répondant au passage de l’impulsion laser, qui créent les champs électriques intenses capables d’accélérer rapidement sur de courtes distances des électrons.

Depuis des années, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) développent cette technique d’accélération laser-plasma dans le cadre du Berkeley Lab Accelerator laser (Bella). Ils viennent d’annoncer que le 20 juillet 2012 des impulsions laser avec une puissance d’1,3 pétawatt, soit plus de 1015 watts, ont été produites chaque seconde. C’est un nouveau record du monde pour ce type de laser à impulsion. D’un coût de 10 millions de dollars, il a été fabriqué en France par Thales à qui il avait été commandé en 2009.

Dans un avenir très rapproché, le laser Bella devrait permettre de construire le premier accélérateur laser-plasma capable de produire des faisceaux d’électrons de 10 GeV. Avant sa reconversion, l’accélérateur d’électrons plus classique du Stanford Linear Accelerator Center, le fameux Slac, permettait d’atteindre 50 GeV. Mais il fallait pour cela un dispositif long de plusieurs kilomètres. Avec Bella, l’accélérateur adjoint au laser mesure seulement 1 m.