accélération laser-plasma

Dans un canal annulaire entre deux anneaux dentés, des microsphères sont en suspension : les unes ont un rayon de 8 micromètres, les autres de 14. On allume la décharge et les particules se mettent en mouvement. Les petites vont dans un sens, les grandes dans l'autre.

Au sous-sol du laboratoire, un aimant de 8 teslas bourdonne. À l'intérieur, tel une cloche dans un clocher, est suspendu un cylindre creux en cuivre, accordé sur une note unique. Si un axion, particule de matière noire, venait à passer à proximité, le cylindre répondrait par un tintement faible.

La cible gazeuse ressemble à un entonnoir : plus ses parois sont raides, plus le flux est important. Seulement, dans cet entonnoir, ce n'est pas de l'eau qui s'écoule, mais de la lumière ultraviolette, qui naît lorsqu'une impulsion laser puissante traverse un nuage d'argon.

La lueur bleue dans l'eau autour d'un réacteur nucléaire est une lumière qui naît lorsqu'une particule chargée dépasse la lumière dans ce milieu. L'effet a été découvert par Pavel Tcherenkov en 1934, et la théorie a été donnée par Igor Tamm et Ilia Frank.

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.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Au cœur d'une éruption solaire, les lignes de champ magnétique se déchirent comme des élastiques tendus et se reconnectent en quelques minutes, libérant une énergie qui suffirait à l'humanité pendant des millions d'années.

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.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

Une plaque de cuivre de la taille d'une pièce de monnaie s'évapore sous l'impact du laser en quelques milliardièmes de seconde. Le nuage chaud de cuivre percute l'hélium froid, comme un jet de vapeur dans l'air glacial.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

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.

Le sursaut dure un millième de seconde, mais en cet instant, il libère autant d'énergie que le Soleil en émet en une journée. Ces signaux, appelés sursauts radio rapides, sont captés par les télescopes depuis 2007, et leur origine reste une énigme.

Dans les immenses nuages de gaz ténu qui emplissent l'espace entre les étoiles, ça bouillonne en permanence. Explosions de supernovae, flux en collision : tout cela secoue le plasma. Et dans ces ondulations, comme on l'a découvert, se cache un mécanisme de naissance des champs magnétiques.

Dans la constellation de l'Aigle, à environ 40 000 années-lumière de nous, fonctionne l'un des accélérateurs naturels les plus puissants de la Galaxie. Il s'agit du microquasar GRS 1915+105, une paire composée d'une étoile ordinaire et d'un trou noir.

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 enfant sur une balançoire : une poussée trop forte, et il s'envole. C'est à peu près ainsi que la lumière intense arrache les électrons des atomes. On pourrait croire que plus la poussée est forte, plus la destruction est certaine. Mais dans le monde quantique, tout est différent : lorsque la force du champ franchit un certain seuil, l'atome se fige soudainement.

L'Univers parle deux langues fondamentales : la gravité et la lumière. En temps normal, elles ne se mélangent pas : les ondes gravitationnelles glissent à travers la matière sans laisser de trace, tandis que les photons dansent dans des labyrinthes de miroirs.

En général, on sépare les isotopes en exploitant la différence de poids du noyau. Cette différence est infime — comme si l'on triait des grains de sable qui diffèrent d'un centième de millimètre. La nouvelle méthode ne s'intéresse pas au poids mais à la rotation du noyau — son spin.

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…

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Près des trous noirs et des étoiles à neutrons, le plasma bouillonne comme l'eau dans une bouilloire. Mais dans cette « bouilloire », il n'y a pas de parois — seulement des champs magnétiques qui se tordent et se déchirent.

L'eau bout dans la bouilloire — et des ondes de vapeur se propagent dans la cuisine. Dans l'espace, un processus similaire se produit dans le plasma — un gaz si chauffé que les électrons se détachent des atomes. Autour des trous noirs et des étoiles à neutrons, ce plasma n'est pas seulement chaud : ses particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière.

Le laser frappe une minuscule grille de verre, et les électrons qui la traversent sont accélérés. Impossible de regarder à l'intérieur : on juge de ce qui se passe par l'énergie des électrons après l'accélération — comme on devine la forme d'une pierre aux éclaboussures qu'elle fait.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Le diamant est le matériau naturel le plus dur qui soit, et le travailler ressemble d'ordinaire à la taille d'un bloc de pierre au marteau-piqueur : ça cogne, ça fissure, ça éclate.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

Au cœur de la constellation de l'Aigle se cache une nébuleuse qui ressemble à une bulle en expansion. Elle est soufflée par une minuscule étoile de la taille d'une ville — un pulsar qui effectue plusieurs rotations par seconde et perd de l'énergie de rotation.

À l'intérieur des grands accélérateurs de particules se trouvent des cavités métalliques creuses dans lesquelles les faisceaux sont accélérés. Avec le temps, un dépôt se forme sur leurs parois, comme dans une vieille casserole. Ce dépôt empêche l'accélérateur de fonctionner à pleine puissance.

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.

Le plasma est un gaz dans lequel les électrons sont arrachés aux atomes, et il conduit l'électricité. Dans l'espace, ce gaz est souvent si dilué que les particules ne se heurtent presque jamais, et son comportement est décrit par les équations du mouvement de chaque particule.

Une impulsion laser qui traverse un plasma est comme un coureur qui se fraye un chemin dans la foule. Il repousse les électrons, laissant derrière lui un canal raréfié, un peu comme la foule s'écarte devant un sprinteur.

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.

Une courte impulsion laser frappe l'air — et à l'endroit de l'impact, un éclair minuscule s'embrase. Il vit plus longtemps qu'on ne le croit : la lueur brillante est encore visible pendant une demi-milliseconde, et la lueur faible pendant près de vingt millisecondes.

Une infime poussière d'argent naît dans le faisceau d'un laser et commence aussitôt à croître — plus vite qu'un clin d'œil. Un microscope ordinaire ne peut pas suivre une telle vitesse, c'est pourquoi personne n'avait encore vu comment une nanoparticule apparaît et prend de la taille.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

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.