Un accélérateur de particules ultra-compact fait le travail de 3 km avec 4 cm

Un accélérateur de particules ultra-compact fait le travail de 3 km avec 4 cm


Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin, ainsi que plusieurs collaborateurs nationaux et internationaux, ont créé un accélérateur de particules compact de moins de 20 m de longueur, capable de générer un faisceau d'électrons d'une énergie de 10 milliards d'électrons-volts (10 GeV). Cet exploit est d’autant plus remarquable que les accélérateurs conventionnels nécessitent des kilomètres d’espace et sont considérablement très coûteux.​.

Aux États-Unis, il n’existe que deux accélérateurs capables de produire des faisceaux de particules de 10 milliards d’électrons-volts, et chacun mesure environ 3 km de long. «Maintenant nous pouvons atteindre ces énergies en 10 cm«, explique le directeur général de TAU Systems, qui a construit un accélérateur ultra-compact.

Eh bien, c'est la longueur de la chambre à gaz remplie d'hélium où se produit l'accélération réelle dans le dispositif récemment testé par TAU. Cet accélérateur de champ d'étoiles avancé et compact nécessite également un laser monstre pour fonctionner : dans ce cas, le laser Texas Petawatt, qui se trouve sur une table de 10 m de long au High Energy Density Science Center de l'Université du Massachusetts. Texas à Austin.

Cette bête, l'un des lasers les plus puissants au monde, tire des rafales de lumière laser ultra-intenses avec des niveaux d'énergie environ 1 000 fois supérieurs à la capacité totale installée aux États-Unis, mais seulement une fois par heure et pendant 150 femtosecondes, soit , soit moins d'un milliardième du temps nécessaire à la foudre pour se décharger.

Au total, le dispositif TAU mesure moins de 20 m de long et émet des faisceaux à une vitesse remarquable de 10 GeV. Pour ce faire, il utilise une version modifiée de la technique d’accélération de wakefield, décrite pour la première fois en 1979 et actuellement appliquée dans de nombreux projets d’accélérateurs.

Un accélérateur de particules typique se compose d’une série d’anneaux auxquels une tension positive est appliquée pour attirer les électrons. Les anneaux s'allument séquentiellement, entraînant les électrons à travers le tunnel de plus en plus vite et chacun s'éteignant avant que l'électron ne l'atteigne.

Cependant, un accélérateur de champ de sillage piloté par laser convertit plus ou moins l'impulsion lumineuse elle-même en un électro-aimant à la vitesse de la lumière, ce qui amène les particules à la poursuivre et à gagner une vitesse et une énergie extraordinaires sur une très courte distance.

L'appareil TAU utilise une petite chambre remplie d'hélium gazeux. Lorsque le laser Petawatt envoie une impulsion de lumière à travers ce gaz, l'énorme énergie de l'impulsion ionise le gaz, le transformant en plasma. Lorsque l'impulsion traverse le plasma, elle laisse derrière elle un sillage, semblable à celui laissé par un navire se déplaçant dans l'eau, sauf que dans ce cas, elle crée un sillage de fluctuations de charge électrique extrêmement puissantes.

Si un électron est injecté juste au bon moment, ces énormes charges en mouvement le tirent et le poussent derrière l'impulsion lumineuse, drainant l'énergie (mais pas la vitesse) de l'impulsion laser d'origine et la transférant à l'électron accéléré, le propulsant à une vitesse constante. "bonne fraction de la vitesse de la lumière» sur une courte distance, selon The Thought Emporium.

L'avancée clé de TAU dans ce dispositif est un laser d'ablation auxiliaire qui déclenche des rafales précisément chronométrées sur une plaque métallique à l'intérieur de la cellule à gaz, injectant un flux de nanoparticules métalliques dans la chambre qui peut augmenter l'énergie délivrée aux électrons lorsque les explosions laser se poursuivent.

Hegelich et son équipe développent leur propre système laser de table, qui, selon eux, rendra l'ensemble du système encore plus compact et permettra de tirer des milliers de fois par seconde au lieu d'une fois par heure.

À quoi servira un accélérateur de particules ultra-compact et à haute énergie ? Peut-être pour alimenter un laser à électrons libres à rayons X, qui pourrait enregistrer des vidéos au ralenti à l'échelle atomique ou moléculaire. Il pourrait également être utile pour tester la résistance aux radiations de composants électroniques destinés aux vols spatiaux, pour obtenir des images tridimensionnelles des structures internes des puces semi-conductrices et potentiellement pour développer de nouveaux traitements contre le cancer et des technologies avancées d’imagerie médicale.

Via utexas.edu

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