L'accélération par le champ de sillage créé par des protons dans un plasma est une alternative prometteuse à la technologie actuelle des accélérateurs de particules. Elle est étudiée notamment par la collaboration AWAKE (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) au Cern. Elle permettrait en effet de raccourcir d'un facteur cent la longueur d'un accélérateur.
Un champ de sillage ultra-puissant
De quoi s'agit-il ? Un faisceau laser ou de protons est injecté dans une cellule de gaz ionisé à l'état de plasma, où des électrons ne sont plus liés aux atomes et circulent librement. Ces photons (laser) ou protons repoussent les électrons libres du plasma sous l'effet d'une force pondéromotrice et laissent ainsi dans leur sillage des « microbulles » vides d'électrons – les électrons expulsés du centre s'accumulant sur la paroi des microbulles.
Si on parvient à injecter un « paquet » d'électrons à l'arrière de ces microbulles, les électrons peuvent alors être accélérés très fortement vers l'avant, sous l'effet d'une force coulombienne gigantesque (due à la répulsion entre charges de même signe). Ce champ accélérateur créé dans le sillage du faisceau laser ou de protons est près de mille fois plus puissant que dans la cavité radiofréquence d'un accélérateur classique et permet d'espérer un gain en compacité des accélérateurs de quelques centaines.
De l'expérience d'accélération à l'accélérateur
Mais une telle accélération ne produit pas spontanément un faisceau de particules digne de ce nom, à savoir un faisceau parallèle, de petite taille et homogène en énergie. Il faut alors toute l'expertise de physiciens comme ceux de l'Irfu pour concevoir un accélérateur produisant un faisceau de particules de la qualité souhaitée.
La phase 2 d'AWAKE vise à transformer une expérience d'accélération en véritable accélérateur, capable de produire un faisceau d'électrons de très haute énergie avec des performances inédites (charge, taille, divergence, dispersion en énergie). Pour cela, il est nécessaire d'injecter un faisceau d'électrons également de hautes performances.
Dans cette perspective, des physiciens de l'Irfu ont conçu un injecteur d'électrons de 200 MeV comprenant :
- un laser de 30 térawatts (30.1012 watts),
- un plasma de 7 mm de long, doté de 3 étages avec des compositions gazeuses et de profils de densité spécifiques,
- une ligne de transport d'électrons de 8 m de long comprenant 2 dipôles, 11 quadrupôles et 4 sextupôles.
Ils ont pu finaliser ce design grâce à des simulations numériques représentant 2 millions d'heures de temps CPU.
Présenté comme une alternative beaucoup plus compacte à un accélérateur conventionnel, cet injecteur est basé sur le principe de l'accélération laser-plasma. Dans le cas présent, l'impulsion laser crée simultanément la structure accélératrice et, par ionisation, les électrons à accélérer par la suite.
Les électrons en sortie de cet injecteur pourront ensuite être introduits dans la cellule gazeuse (rubidium) de 10 mètres de longueur d'AWAKE pour être accélérés de 200 MeV à quelques GeV. Cette cellule sera traversée par le faisceau de protons du Supersynchrotron à protons du Cern qui y créera le champ de sillage plasma permettant d'accélérer les électrons. À noter que cette cellule sera précédée d'une cellule identique, dans laquelle le faisceau de protons lui-même sera mis en forme par l'interaction plasma-particule.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Laboratoire des gaz et des plasmas (CNRS), Thales-Laser et Cern-AWAKE.