Genève, le 29 août 2018. Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, la collaboration AWAKE au CERN rend compte de la première accélération jamais réalisée d'électrons au moyen d'une onde engendrée par des protons filant à travers un plasma. L'accélération obtenue sur une distance donnée est déjà plusieurs fois supérieure à celle obtenue avec les technologies conventionnelles existantes pour les accélérateurs de particules. L'utilisation d'ondes dans du plasma (appelées aussi champs de sillage), suggérée pour la première fois dans les années 1970, pourrait réduire considérablement la taille des accélérateurs qui seront utilisés dans les décennies à venir.
AWAKE, l'expérience de pointe sur les champs de sillage, est un projet de démonstration de principe d'un accélérateur compact qui porte des électrons à des énergies très élevées sur de courtes distance. Accélérer des particules à des énergies les plus élevées possible sur des distances plus courtes est crucial pour produire les collisions de haute énergie que les physiciens utilisent pour étudier les lois fondamentales de la nature ; cela pourrait se révéler important aussi pour une multitude d'applications industrielles ou médicales.
Le plasma est un état particulier de la matière, qui peut être créé par l'ionisation d'un gaz – c'est-à-dire en éjectant les électrons des atomes ou des molécules du gaz. Dans l'expérience AWAKE, du rubidium est chauffé jusqu'à être transformé en gaz, puis ionisé au moyen d'un faisceau laser. Un faisceau de protons (appelé faisceau d'entraînement) est injecté avec l'impulsion laser, et il fait osciller le plasma selon un schéma en forme de vague, comme un bateau qui, en se déplaçant sur l'eau, crée des oscillations dans son sillage. AWAKE reçoit les protons composant son faisceau d'entraînement, d'une énergie 400 GeV (milliards d'électronvolts), du Supersynchrotron à protons du CERN (SPS), dernier accélérateur de la chaîne qui fournit des protons au LHC. Un faisceau d'électrons (appelé faisceau-témoin) est injecté dans le plasma en oscillation à un petit angle par rapport à la ligne de faisceau, et il est accéléré en « surfant » les ondes du plasma.
Le 26 mai 2018, la collaboration AWAKE est parvenue à accélérer ainsi des électrons-témoins pour la première fois. Les électrons injectés dans la cellule d’AWAKE à des énergies relativement basses, environ 19 MeV (millions d’électronvolts), ont « surfé » la vague de plasma et ainsi été accélérés d’un facteur 100 environ, atteignant une énergie de presque 2 GeV (milliards d’électronvolts) sur une distance de 10 mètres.
Les exemples précédents d'accélération par champs de sillage s'appuyaient sur l'utilisation d'électrons ou de lasers pour créer un sillage ; AWAKE est la première expérience à utiliser des protons. « Les faisceaux d'entraînement composés de protons pénètrent plus profondément dans le plasma que les faisceaux laser ou les faisceaux d'électrons, explique Allen Caldwell, porte-parole de la collaboration AWAKE. Par conséquent, si des accélérateurs fonctionnant avec des champs de sillage utilisent des protons pour leurs faisceaux d'entraînement, ils peuvent accélérer les électrons sur une plus grande distance, et donc leur permettre d'atteindre des énergies plus élevées. »
« En accélérant des électrons jusqu’à 2 GeV en seulement 10 mètres, l’expérience AWAKE a démontré qu’elle pouvait atteindre un gradient d’accélération moyen d’environ 200 MV/m (millions de volts par mètre) », explique Edda Gschwendtner, coordinatrice technique et responsable du projet AWAKE au CERN. À titre de comparaison, les technologies conventionnelles de pointe envisagées pour la prochaine génération d'accélérateurs d'électrons promettent des gradients de l'ordre de 30 à 100 MV/m. Il s'agit des techniques actuellement à la pointe dans le domaine des accélérateurs de particules, tant en ce qui concerne la distance totale sur laquelle l'accélération peut être maintenue que l'intensité et la qualité des faisceaux accélérés – deux facteurs cruciaux pour les expériences de physique des hautes énergies. Les prochaines étapes pour AWAKE, qui vise à atteindre 1 000 MV/m, consisteront entre autres à répondre à ces nouvelles exigences.
AWAKE a fait des progrès rapides depuis ses débuts. La cellule plasma a été installée début 2016, et quelques mois plus tard, les premiers faisceaux d'entraînement composés de protons étaient injectés dans la cellule plasma pour la mise en service du dispositif d'expérimentation. Un champ de sillage entraîné par des protons a été observé pour la première fois fin 2016.
Informations supplémentaires
Photos
https://cds.cern.ch/yourbaskets/display_public?bskid=23701
Vidéos
Animation (2018) : https://videos.cern.ch/record/2635449
Interview d'Edda Gschwendtner, avec sa transcription (2018, en anglais) : https://videos.cern.ch/record/2634327
Interview d'Edda Gschwendtner, avec animation (2018, en anglais) : https://videos.cern.ch/record/2636354 et https://www.youtube.com/edit?o=U&video_id=vfy7glPtV_8
Vidéo 360° d'AWAKE (2018, en anglais) : https://videos.cern.ch/record/2320751
Nouvelles d'AWAKE : mise en service avec faisceau (2016, en anglais) : https://videos.cern.ch/record/2161762
Awakening acceleration : Arrivée de la cellule plasma d’AWAKE (2016, en anglais) : https://videos.cern.ch/record/2131863
« Surfing wakefields to create smaller accelerators » (en anglais)| Edda Gschwendtner | TEDxCERN: https://www.youtube.com/watch?v=5Ryp6UTCeUo