Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory ont réalisé une avancée majeure en créant un faisceau d’électrons d’une puissance cinq fois supérieure à tout ce qui avait été produit jusqu’ici. Cette découverte promet de transformer notre compréhension des phénomènes subatomiques et pourrait ouvrir de nouvelles perspectives dans des domaines aussi divers que l’astrophysique, la mécanique quantique et la science des matériaux.
Le défi de longue date : allier puissance et précision
Depuis plusieurs décennies, les chercheurs tentent de concevoir des faisceaux d’électrons à la fois extrêmement puissants et d’une qualité irréprochable. Ces faisceaux sont cruciaux pour étudier les particules élémentaires, mais produire un faisceau aussi puissant que précis n’a jamais été une tâche facile.
Traditionnellement, on utilisait des champs micro-ondes pour accélérer et focaliser les faisceaux. Cependant, cette méthode présente une difficulté majeure : lorsque les électrons émettent des radiations pendant leur accélération, ils perdent de l’énergie, ce qui nuit à la précision du faisceau. Ainsi, il a toujours fallu faire un compromis entre la puissance et la précision. Les chercheurs n’ont jamais été capables de combiner les deux… jusqu’à aujourd’hui.
Une solution novatrice : le façonnage laser
L’équipe du SLAC a trouvé une solution innovante en remplaçant les champs micro-ondes par une technologie de façonnage laser. Développée initialement pour des lasers à électrons libres à rayons X, cette technique permet de contrôler avec une précision extrême l’énergie des électrons. En appliquant cette méthode sur des milliards d’électrons dans les premiers mètres d’un accélérateur de particules d’un kilomètre de long, les chercheurs ont pu conserver l’intégrité du faisceau tout en l’accélérant.
Après plusieurs mois de tests et de perfectionnement, les scientifiques ont réussi à produire des faisceaux d’électrons d’une puissance phénoménale. Ces faisceaux, d’une durée de seulement quelques femtosecondes, atteignent une puissance de pointe de l’ordre du pétawatt, soit cinq fois plus puissants que tout ce qui avait été réalisé auparavant.
Les applications scientifiques majeures de ce faisceau d’électrons
Cette avancée, rapportée dans les Physical Review Letters, ouvre de nombreuses perspectives dans des domaines scientifiques de pointe. En astrophysique par exemple, la puissance inédite du faisceau d’électrons permet de recréer des phénomènes extrêmes observés dans l’espace, comme les filaments cosmiques. Ces structures complexes, souvent invisibles dans l’espace lointain, peuvent désormais être simulées en laboratoire. Les chercheurs peuvent ainsi étudier de manière plus précise la manière dont la matière réagit sous des conditions de pression et de température extrêmes, ce qui pourrait améliorer notre compréhension des étoiles, des trous noirs et des autres objets célestes.
En parallèle, cette technologie pourrait transformer l’accélération des particules. Actuellement, les accélérateurs de particules sont grands et coûteux, mais grâce à l’accélération par champ de sillage plasma, il serait possible de miniaturiser ces appareils tout en maintenant des performances exceptionnelles. Ce procédé utilise l’énergie d’un faisceau d’électrons pour créer des ondes dans un plasma, accélérant ainsi d’autres particules à des vitesses extrêmement élevées. Cela pourrait réduire la taille des accélérateurs de particules tout en les rendant plus efficaces et accessibles.
Enfin, la puissance de ces faisceaux d’électrons ouvre également la voie à des applications révolutionnaires dans la création d’impulsions lumineuses à l’échelle de l’attoseconde. À cette échelle ultrarapide, les scientifiques pourraient observer et manipuler les phénomènes atomiques et moléculaires avec une précision sans précédent. Cela pourrait avoir un impact profond sur la physique quantique en permettant une étude plus fine des interactions entre les électrons et les noyaux, et offrir de nouvelles possibilités en chimie pour le contrôle de réactions chimiques à l’échelle atomique.
