Les accélérateurs de particules les plus puissants sont aujourd'hui limités à un champ électrique accélérateur de l'ordre de 100 MV/m. Pour augmenter l'énergie, les physiciens n'ont pas d'autre choix que de construire des accélérateurs de plus en plus grands comme le LHC au Cern.
Cependant, une voie alternative se dessine avec les lasers pétawatt (1015 W) : l'accélération par champ de sillage dans les plasmas. Concrètement, l'impulsion laser traverse un plasma en laissant derrière elle un « sillage » constitué de cavités vides d'électrons – ceux-ci s'accumulant au fond et sur les côtés des cavités. Si des électrons sont injectés dans l'une de ces cavités, à proximité immédiate du fond, alors le champ électrique produit par des électrons excédentaires du sillage peut les accélérer très puissamment, jusqu'à 100 GV/m, soit mille fois plus qu'un accélérateur conventionnel utilisant les radiofréquences.
Entre 2015 et 2019, le projet européen Eupraxia (European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications) a permis de produire une étude de conception pour un accélérateur plasma destiné à la recherche scientifique et à des applications médicales et industrielles.
Des équipes de l'Irfu impliquées fortement dans la physique du faisceau de particules ont montré que des solutions d'accélérateur plasma existent, avec une qualité de faisceau approchant celle d'accélérateurs conventionnels. Elles ont notamment participé aux workpackages « Physique et simulations », « Design et optimisation des lignes de transport faisceau » et « Diagnostics » – dont certains ont été pilotés par l'Irfu.
L'étude détaillée des mécanismes physiques a pu guider efficacement les simulations numériques sur une configuration d'accélérateur à deux étages – chaque simulation durant plus de 10 heures avec 2048 nœuds de calcul – et prouver que tous les objectifs peuvent être atteints avec un plasma long de 30 cm et de densité électronique 1017 cm-3 et un laser de 400 térawatts et 50 joules.
Des méthodes innovantes ont été proposées pour accélérer le faisceau et le conduire à travers les deux étages plasma jusqu'à l'utilisateur final sans le dégrader. Une analyse des tolérances aux erreurs a permis d'identifier les composants les plus sensibles auxquels un soin particulier devrait être apporté lors de la fabrication et l'installation.
Grâce à une étroite collaboration, les partenaires d'Eupraxia ont identifié puis optimisé plusieurs schémas d'injection et d'extraction compatibles avec les objectifs visés. Dans une étape ultérieure, ils sélectionneront la configuration d'accélération et les systèmes laser et plasma les plus performants avant d'entamer des études techniques plus détaillées pour cette future grande infrastructure de recherche européenne.
Le consortium Eupraxia regroupe 16 membres – instituts de recherche et universités européennes – et 25 partenaires associés répartis en Europe, Amérique et Asie, ainsi que 5 entreprises du secteur des lasers de puissance.
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