Un plasma pour l’accélérateur de particules du futur

Faire surfer des électrons afin d’accroître leur vitesse, et ainsi étudier les composants fondamentaux de la matière: c’est le principe de l’expérience Awake du CERN, qui présente ses premiers résultats dans la revue «Nature»

Imaginez une mer lisse sur laquelle navigue un paquebot. A l’arrière, des surfeurs profitent de son sillage pour dévaler les grosses vagues et accélérer. C’est le principe de l’expérience Awake, conduite au CERN, un nouvel accélérateur de particules dont les premiers résultats sont publiés ce jeudi dans Nature. Une avancée pour ce qu’on appelle l’accélération plasma à faisceaux de protons, une technique promise à un bel avenir pour explorer les fondements de la matière.

Dans l’installation Awake, l’énergie d’un faisceau laser est utilisée pour créer un plasma, une soupe de particules chargées très chaude, dans un tube long de 10 mètres. Ce plasma se comporte comme l’eau de l’océan. Dans un second temps, un faisceau de protons produit par le super synchrotron à protons du CERN (SPS) est injecté dans le tube, et crée des ondes — les vagues du sillage — dans le plasma. Enfin, des électrons sont introduits dans le tube, qui sont accélérés par les vagues qui traversent le plasma. Sur 10 mètres, les électrons atteignent d’ores et déjà une énergie de 2 milliards d’électronvolts, quatre mille fois celle d’un électron au repos.

Mesures de précision

«C’est un résultat très excitant, d’autant plus que ce ne sont que les premiers pas de ce nouvel instrument, se réjouit Nicolas Delerue, du Laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay, près de Paris (France). L’accélération plasma est une piste prometteuse pour la physique des particules.» En accroissant l’énergie atteinte par les électrons – et leur antiparticule, identique mais de charge inversée, le positon – jusqu’à mille milliards d’électronvolts (TeV), ce type d’accélérateur permettrait, par exemple, de faire des mesures de précision sur le boson de Higgs, la particule massive découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en 2012, mais avec des protons.

«Comme ces derniers ne sont pas des particules élémentaires, ils produisent beaucoup d’autres particules qui nuisent à la précision des observations. En utilisant des électrons et des positons, qui sont des particules élémentaires, on obtiendrait des mesures beaucoup plus fines. Mais ce sera difficile, car il faut multiplier les collisions pour y parvenir.» Des électrons accélérés à très haute énergie pourraient également servir de microscope pour étudier des particules comme le proton avec une précision inégalée.

«Nous sommes très heureux de ce premier résultat», se félicite Edda Gschwendtner, responsable du projet au CERN, et cosignatrice de l’article de Nature. Signe de l’importance de ces premières données d’Awake, l’article a été accepté en moins de deux mois par la prestigieuse revue et publié deux semaines plus tard! «Nous avons pu atteindre une accélération moyenne de 200 MeV par mètre.» Un chiffre à comparer aux 30 à 100 MeV par mètre obtenus sur des accélérateurs linéaires à électrons.

Le principal intérêt d’Awake est son extrême compacité. A Stanford, au Laboratoire national de l’accélérateur SLAC – où a notamment été démontrée à la fin des années 1960 l’existence des quarks qui forment les protons et neutrons –, l’accélérateur linéaire mesurait 3,2 kilomètres de long, pour une énergie maximale de 50 Gev. «En théorie, Awake doit pouvoir atteindre 1 TeV [vingt fois plus] sur une distance de 100 mètres seulement, souligne Nicolas Delerue. Le revers de la médaille est que cet instrument a besoin d’une puissante source de protons, ce qui n’est pas compact!»

Lasers de grande puissance

L’expérience genevoise est dépendante des installations du CERN et d’un planning très chargé, qui n’autorise que quelques sessions d’expériences par an. «On peut s’attendre à de nouveaux progrès puisque la saison n’est pas terminée», pronostique Nicolas Delerue. Plus sobrement, Edda Gschwendtner explique que deux sessions sont prévues, au cours des prochaines semaines, puis en novembre: «Ensuite, toutes les installations du CERN seront fermées pendant deux ans, pour améliorer les performances du LHC.»

Si l’utilisation d’un faisceau de protons restreint Awake aux expériences de physique des particules, le principe de l’accélération plasma aura probablement des retombées à terme – par exemple en radiothérapie. «Car il existe d’autres techniques plus compactes pour mettre en oeuvre cette idée», souligne Nicolas Delerue. Le sillage plasma peut en effet être obtenu par des lasers de très grande puissance, comme l’installation Apollon en région parisienne – qui doit devenir le laser le plus puissant du monde. «Et même par des lasers dix fois moins puissants qu’on trouve désormais dans le commerce.»

De même, l’accélération plasma utilisant des électrons – et non des protons – pour créer le sillage a été démontrée au milieu des années 2000. «Comme ces dispositifs sont très compacts, on peut en imaginer dans les grands hôpitaux, mais aussi en muséographie, ou dans l’industrie pour le contrôle de soudure, etc.» ■

(LOÏC VENANCE/AFP) Dans l’expérience Awake, des électrons sont accélérés dans un plasma parcouru d’ondes, à l’image de surfeurs dévalant les vagues créées dans le sillage d’un paquebot.