Le rayonnement Tcherenkov est connu depuis 1934, lorsque Pavel Tcherenkov a remarqué une lueur bleue dans des liquides soumis à un rayonnement gamma. La théorie a été donnée par Igor Tamm et Ilia Frank, et tous trois ont reçu le prix Nobel. Depuis, l'effet est devenu un outil de travail : des détecteurs de particules à l'astrophysique. Cependant, l'amplification cohérente du rayonnement Tcherenkov, où les contributions de nombreuses particules s'additionnent non pas de manière aléatoire mais synchrone, a longtemps été limitée au domaine térahertz. La raison en est la taille des faisceaux : des rayons millimétriques et des durées picosecondes ne permettaient pas aux phases des électrons individuels de coïncider aux hautes fréquences. À côté de ce travail, les archives contiennent des études sur la diagnostic des faisceaux par rayonnement diffractif cohérent, la génération d'impulsions térahertz dans des guides d'ondes diélectriques et des détecteurs ultrarapides. Toutes, comme cet article, cherchent des moyens d'extraire des informations sur le faisceau à partir de son rayonnement, mais restent dans les domaines millimétrique et térahertz. Les accélérateurs à plasma de nouvelle génération promettent des faisceaux avec des paramètres inaccessibles auparavant : énergie jusqu'à 10 GeV, durée de quelques femtosecondes, taille transversale de quelques dizaines de micromètres. Cela ouvre la voie à un rayonnement Tcherenkov cohérent dans l'optique et l'ultraviolet.
Les auteurs ont construit un modèle analytique du rayonnement Tcherenkov cohérent pour trois formes de paquet d'électrons : gaussienne, supergaussienne et cylindrique à densité constante. Le milieu est l'hélium dans des conditions normales, sa permittivité diélectrique est décrite par le modèle de Lorentz avec six transitions les plus fortes depuis l'état fondamental (données NIST). L'indice de réfraction de l'hélium est très proche de l'unité (différence de l'ordre de 10⁻⁵), ce qui est critique pour la cohérence transversale. Les spectres d'énergie sont calculés à travers la surface latérale et la face d'un cylindre entourant la trajectoire du faisceau. Les processus concurrents sont pris en compte : le rayonnement de transition (négligeable pour une grande longueur de milieu) et le rayonnement de freinage (estimé et montré comme ayant une distribution angulaire beaucoup plus étroite que celle de Tcherenkov). Les formules pour le facteur de cohérence sont obtenues par transformée de Fourier de la distribution de densité du faisceau.
Pour un faisceau d'énergie 1 GeV (facteur gamma 2000), avec 10⁵ électrons, un rayon de 20 µm et une longueur de 1 µm dans l'hélium, l'amplification cohérente du rayonnement Tcherenkov s'étend jusqu'à des énergies de photons d'environ 2 eV (lumière rouge) pour la forme gaussienne. Pour un faisceau cylindrique à densité constante, jusqu'à 10 eV (ultraviolet proche). Les faisceaux supergaussiens occupent une position intermédiaire : pour un exposant de 4, jusqu'à 4 eV ; pour 10, jusqu'à 7 eV ; pour 40, presque comme le cylindre. La différence s'explique par les bords nets de la densité : ils donnent des composantes haute fréquence dans la transformée de Fourier. Les spectres des faisceaux cylindrique et supergaussiens oscillent, les périodes d'oscillation étant liées à la longueur et au rayon du faisceau. Cela permet de reconstruire la géométrie du paquet à partir du spectre. Le spectre photonique sur un détecteur annulaire (rayons 1–2 mm) montre que la partie cohérente dépasse de plusieurs ordres de grandeur la partie incohérente. Le rayonnement de freinage pour une cible d'hélium de 30 cm de long donne une contribution du même ordre que le signal Tcherenkov cohérent minimal, mais sa distribution angulaire est concentrée dans un cône de 1/γ ≈ 0.5 mrad, alors que l'angle Tcherenkov est d'environ 8.7 mrad ; ils peuvent être séparés.
Ce travail se distingue quelque peu des articles voisins dans les archives. La plupart d'entre eux utilisent le rayonnement Tcherenkov ou diffractif pour la diagnostic des faisceaux dans le domaine térahertz, où les faisceaux ont des dimensions millimétriques. Ici, il est montré pour la première fois que les accélérateurs à plasma, avec leurs faisceaux micrométriques et femtosecondes, peuvent produire un rayonnement Tcherenkov cohérent dans l'optique et l'ultraviolet. L'astuce clé est de choisir un milieu avec un indice de réfraction très proche de l'unité : cela augmente la longueur de cohérence transversale et compense la grande différence entre le rayon et la longueur du faisceau. Cette approche ne se retrouve pas chez les voisins, qui travaillent avec des diélectriques ou le vide. Le résultat offre un nouvel outil pour la diagnostic non invasive de la forme et des dimensions des faisceaux ultracourts.
La vérification expérimentale des prédictions est possible sur les accélérateurs à plasma existants, par exemple avec une photocathode à plasma. Il faudra une cible d'hélium de plusieurs dizaines de centimètres de long et un détecteur annulaire dans le domaine optique. Si le spectre correspond au calcul, cela deviendra une nouvelle méthode pour mesurer la longueur et le rayon du faisceau avec une résolution femtoseconde et micrométrique. Ensuite, on pourra étudier des formes de faisceaux plus complexes, y compris avec une modulation périodique de densité ; le rayonnement pourrait alors devenir à bande étroite. Il est possible d'utiliser d'autres gaz avec différents indices de réfraction pour ajuster la gamme.
Les résultats influenceront la diagnostic des faisceaux dans les accélérateurs à plasma, le développement de sources compactes de rayonnement optique et ultraviolet, ainsi que la physique de l'interaction de paquets d'électrons denses avec un milieu.
Réaliser une expérience sur un accélérateur à plasma avec une cible d'hélium et un photodétecteur annulaire ; comparer le spectre mesuré avec le calcul pour différentes formes de faisceau.
Pour la physique des faisceaux et des accélérateurs, le problème clé non résolu est la diagnostic non invasive des paquets ultracourts. Les méthodes existantes (déviation transversale, rayonnement de transition) soit détruisent le faisceau, soit sont limitées en résolution. Le rayonnement Tcherenkov cohérent dans le domaine optique pourrait fournir une mesure simultanée de la longueur et du rayon sans perturber le faisceau.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Cette étude examine le rayonnement Tcherenkov cohérent produit par des faisceaux d'électrons ultra-compacts issus d'accélérateurs à plasma, se propageant dans un milieu gazeux. Un modèle analytique a été développé pour trois formes de faisceau (gaussienne, super-gaussienne et cylindrique), et les spectres de rayonnement ont été calculés dans les domaines optique et proche UV. Il est démontré que l'amplification cohérente dépend de la forme du faisceau et peut atteindre des énergies de photons allant jusqu'à 10 eV.
Où est sa force
Ce travail met en évidence la possibilité d'obtenir un rayonnement Tcherenkov cohérent dans le domaine optique grâce aux paramètres extrêmes des faisceaux issus des accélérateurs à plasma. Le modèle analytique, qui tient compte de la forme du faisceau et de la permittivité diélectrique réaliste de l'hélium, permet d'estimer les spectres et de révéler le rôle de la cohérence transverse.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Le développement de méthodes de diagnostic pour les faisceaux ultra-courts et la création de sources compactes de rayonnement cohérent dans les domaines optique et UV.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.52, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
Le rayonnement Tcherenkov est souvent appelé « lueur bleue », mais dans ce cas, il peut s'étendre dans l'ultraviolet, invisible à l'œil. Pour un faisceau de 1 GeV, l'angle Tcherenkov dans l'hélium n'est que de 0.5 degré ; le rayonnement est émis presque strictement vers l'avant.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke, « Lumière des jours lointains », le rayonnement Tcherenkov est utilisé pour détecter des particules dans l'eau ; l'idée d'amplification cohérente par des paquets denses fait écho à la description du rayonnement de flux relativistes dans l'espace.