focalisation de faisceau

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Le cosmos est peuplé de sprinters invisibles — des particules filant à une vitesse proche de celle de la lumière. On les capture dans le vent solaire, près des étoiles à neutrons et même dans le vide intergalactique entre les galaxies. Mais qu'est-ce qui les propulse là où il n'y a ni ondes de choc, ni reconnexions magnétiques ?

Un tuyau d'arrosage projette un jet fin et puissant. En le déplaçant sur le jardin, on peut arroser tout le potager sans inonder les allées. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle approche pour traiter les tumeurs profondes : au lieu d'un large flux de rayonnement, on utilise un faisceau étroit d'électrons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, et on balaie la tumeur avec, comme avec un…

Chercher un point lumineux unique dans un échantillon sombre, c'est un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin : le faisceau du microscope progresse ligne par ligne, gaspillant du temps et de la lumière. Les physiciens ont remplacé ce lent balayage par des motifs de lumière aléatoires.

Il faut observer un flocon de neige sans le laisser fondre ni l'abîmer. C'est à peu près le défi auquel sont confrontés les scientifiques qui veulent étudier des protéines individuelles, ces minuscules machines moléculaires du vivant.

Un faisceau d'électrons dans un accélérateur ressemble à une volée d'oiseaux : il vole en groupe serré, mais avec le temps, il se disperse. Pour maintenir les particules ensemble, on installe généralement de lourds aimants. Ici, on s'en est passé : le faisceau s'est comprimé tout seul.

La lentille « œil de poisson » est un verre inhabituel : son indice de réfraction varie du centre vers le bord de telle sorte que tout rayon émis depuis un point quelconque converge vers le point strictement opposé. Fabriquer une telle lentille en verre ordinaire est presque impossible, mais les physiciens ont trouvé une solution de contournement.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

Un blazar est une galaxie lointaine dont le centre émet un jet de plasma pointé presque directement vers nous. À l'intérieur de ce jet, les particules sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière et émettent un rayonnement puissant.

Le laser frappe la cible — et un nuage de plasma s'élance dans la chambre, propulsé à des centaines de kilomètres par seconde. Autour, ce n'est pas le vide : la chambre est remplie d'un gaz raréfié qui joue le rôle du milieu interstellaire. Le plasma s'y enfonce comme un hors-bord dans une eau calme, repoussant le gaz devant lui.

La lumière d'une ampoule ordinaire est un flux de photons individuels, comme des gouttes qui tombent d'un robinet. Mais il existe une lumière où les photons vont par paires, comme des jumeaux qui marchent ensemble. Cette lumière groupée, on souhaitait depuis longtemps l'utiliser pour mesurer des distances et photographier des objets cachés derrière un coin.

Dans les accélérateurs géants, les particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière et se percutent de front. Mais parfois, un faisceau est un peu plus dense que l'autre — comme si, dans un escalator bondé, quelqu'un se tenait du mauvais côté. Alors les collisions se font de manière irrégulière, et les instruments se mettent à « clignoter », faussant les mesures.

Même dans un faisceau laser, il y a un tremblement invisible : le bruit quantique. Les physiciens ont appris à le « compresser », comme un ballon serré à la taille : le bruit s'atténue dans une direction, mais s'amplifie dans l'autre. Les scientifiques ont caché l'excès de bruit là où il ne gêne pas les mesures précises de photométrie de la lumière.

Un faisceau d'ions lourds dans un accélérateur ressemble à une foule qui se pousse des coudes : plus il y a de monde, plus la foule s'élargit. Les particules chargées se repoussent, et au-delà de quelques microampères, le faisceau s'étale et perd sa forme.

Le faisceau d'une lampe de poche, après avoir traversé une fente étroite, ne reste pas un fin ruban, mais s'étale sur les côtés. La lumière a tendance à contourner les bords des obstacles, et c'est pourquoi le plus petit point lumineux que l'on puisse obtenir avec une lentille ordinaire ne peut être inférieur à la moitié de la longueur d'onde.