Un nouvel accélérateur de particules peut atteindre 10 milliards d’électrons-volts (10 GeV) en seulement 10 centimètres, une avancée qui pourrait réduire la taille énorme et le coût élevé des accélérateurs de particules conventionnels.
Une équipe de chercheurs de l’Université du Texas à Austin a réalisé des progrès significatifs dans le développement d’une nouvelle technologie d’accélérateur compact qui pourrait réduire la taille et le coût des accélérateurs de particules utilisés pour diverses applications, des hautes énergies à la médecine et à l’industrie.
L’accélérateur compact utilise un concept appelé accélération du plasma (plus spécifiquement appelé accélérateur laser avancé de Wakefield) qui consiste à créer un plasma (un gaz ionisé) à l’intérieur d’un tube métallique et à utiliser un laser ou un faisceau d’électrons pour exciter des ondes de plasma qui peuvent accélérer les particules à des énergies élevées sur de très courtes distances.
L’équipe de l’UT Austin a démontré pour la première fois qu’une accélération nette de l’énergie peut être obtenue à l’aide d’un accélérateur à plasma entraîné par un faisceau d’électrons, ce qui signifie que l’énergie gagnée par les particules accélérées est supérieure à l’énergie perdue par le faisceau de la turbine. Il s’agit d’une condition essentielle pour que cette technologie soit viable pour des applications pratiques.
accélérateur linéaire
L’expérience a été menée au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère américain de l’Énergie, où les chercheurs ont utilisé l’accélérateur linéaire de 3 km de long pour générer un faisceau d’électrons de 20 GeV (gigaélectronvolt) qui a été injecté dans une chambre à plasma de 10 cm de long.
À l’intérieur de la chambre, le faisceau d’électrons a excité les ondes de plasma et a transféré une partie de leur énergie à un deuxième faisceau d’électrons plus faible qui le suivait. Le résultat a été que le faisceau faible a augmenté son énergie de 9 GeV à 19 GeV, tandis que le faisceau fort a diminué son énergie de 20 GeV à 10 GeV, ce qui signifie qu’il y a eu un transfert d’énergie net de 10 GeV du faisceau de route au faisceau. accéléré.
Cela a été possible parce que l’accélérateur, alimenté par un laser pétawatt, présentait une nouveauté : l’hélium gazeux était enrichi de nanoparticules d’aluminium qui augmentaient la densité de charge dans le gaz et, par conséquent, l’accélération.
Nous parlons d’une énergie de 10 milliards d’électrons-volts, un chiffre significatif car il n’existe actuellement que deux autres accélérateurs en activité aux États-Unis capables d’atteindre des énergies électroniques aussi élevées, mais tous deux mesurent environ 3 kilomètres de long. Grâce au nouveau développement, ces énergies peuvent désormais être obtenues en seulement 10 centimètres.
Cette cellule à gaz contient un laser extrêmement puissant qui frappe l’hélium gazeux, le chauffe en plasma et crée des ondes qui éjectent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Björn « Manuel » Hegelich.
Étape importante
Cette réalisation constitue une étape importante vers la construction d’un accélérateur à plasma capable d’atteindre des énergies comparables à celles des accélérateurs conventionnels, mais à une fraction de sa taille et de son coût.
Par exemple, le Compact Linear Collider (CLIC), un projet proposé pour construire un accélérateur linéaire électron-positon multi-TeV (téraélectronvolts) au CERN, utiliserait des cavités radiofréquence et un concept d’accélération à deux faisceaux pour produire des champs accélérateurs allant jusqu’à 100 MV par mètre.
Si cette technologie pouvait être remplacée par l’accélération plasma, la taille de l’accélérateur pourrait être réduite d’environ 50 km à quelques kilomètres, et les coûts d’infrastructure et d’exploitation pourraient être réduits.
Applications potentielles
Outre la physique des hautes énergies, la technologie des accélérateurs compacts présente également un potentiel pour d’autres applications, telles que la génération de sources de neutrons compactes pour la recherche sur les matériaux, la production d’isotopes médicaux pour le diagnostic et le traitement de maladies, ou la création de sources de neutrons de haute intensité. -rayons pour l’imagerie et la lithographie.
Les chercheurs de l’UT Austin prévoient de poursuivre leurs travaux pour améliorer les performances et la stabilité de l’accélérateur à plasma, ainsi que d’explorer les possibilités de l’intégrer à d’autres composants, tels que des sources de particules, des optiques de faisceau et des systèmes de transport, ainsi que des dispositifs de diagnostic et d’instrumentation.
Son objectif ultime est de développer un prototype d’accélérateur compact capable de démontrer les avantages de cette technologie pour diverses applications.
Référence
L’accélération d’un paquet d’électrons de haute charge jusqu’à 10 GeV dans un accélérateur de champ de sillage assisté par des nanoparticules de 10 cm. Constantin Aniculaese et coll. Matière Radiat. Extrêmes 9, 014001 (2024). JE :https://doi.org/10.1063/5.0161687