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Plus près des mini-accélérateurs de particules

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Marrakech, 3 Mar. (Maroc-Actu) –

Les mini-accélérateurs de particules se rapprochent un peu plus de la réalité après qu’il a été prouvé que il serait possible d’accélérer des millions de faisceaux d’électrons par seconde en utilisant des ondes de plasma.

La technique consiste à envoyer un faisceau laser ou de particules à haute énergie dans un cylindre de plasma, une soupe d’atomes ionisés, créant ainsi des ondes comme celles produites par un bateau à moteur sur l’eau. Immédiatement après, de nombreux électrons sont tirés dans le plasma, « surfant » sur les ondes plasmatiques nouvellement créées et s’accélérant rapidement jusqu’à atteindre des énergies très élevées, explique la Commission européenne. dans une déclaration UCL (University College London), qui participe à ce projet.

Cette technique pourrait permettre de réduire considérablement la taille des collisionneurs de particules. (par exemple, le Grand collisionneur de hadrons, qui accélère les protons, mesure 27 km de long) et les lasers à électrons libres, utilisés pour tester les structures et les processus des matériaux, comme le cylindre dans lequel les électrons accélérateurs sont généralement de quelques centimètres de long.

Pour la plupart des applications de la technologie, il est nécessaire d’accélérer des milliers ou des millions de groupes d’électrons par seconde, mais, comme le plasma doit se stabiliser pour se rapprocher de son état d’origine à chaque fois qu’un nouveau groupe est tiré, il n’était pas certain que ce taux de répétition élevé soit possible.

Dans la nouvelle étude, publié dans Naturel’équipe de chercheurs a accéléré des électrons dans l’installation FLASHForward du synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg pour étudier la vitesse à laquelle les électrons peuvent être accélérés. avec laquelle le plasma est revenu à l’état d’équilibre et a constaté qu’il l’a fait en 63 nanosecondes.

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Le co-auteur, Matthew Wing, professeur de physique et d’astronomie à l’UCL, a déclaré : « Ce résultat est une nouvelle positive : il suggère que les accélérateurs à plasma pourraient être utilisés pour accélérer jusqu’à 15 millions de grappes d’électrons par seconde. Cela correspond à la fréquence de répétition des accélérateurs conventionnels. »

Le coauteur, James Chappell, de l’université d’Oxford, a analysé les données dans le cadre de sa thèse de doctorat, qui a remporté le prix Culham 2022 de la meilleure thèse en physique des plasmas de l’Institut de physique. Il a déclaré : « Les installations d’essai actuelles pour l’accélération du plasma fonctionnent généralement à des taux de répétition beaucoup plus lents, accélérant jusqu’à 10 groupes d’électrons par seconde. Le potentiel d’un taux de répétition beaucoup plus élevé est important pour en faire une technologie utile.

« Une possibilité est que les accélérateurs à ondes de plasma puissent être utilisés dans des expériences de physique des particules de nouvelle génération, pour faire entrer en collision des électrons et des positrons à grande vitesse afin de découvrir une nouvelle physique. Une autre possibilité est de l’utiliser pour les lasers à électrons libres : les électrons à haute énergie émettent des photons et ces photons sont utilisés pour tester la structure de toutes sortes de matériaux et de processus. Pour ces deux applications, il reste des défis techniques à relever, par exemple, comment empêcher le plasma de s’échauffer ?« .

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Les chercheurs ont également noté que les accélérateurs à plasma pourraient être utilisés comme « étages d’accélération » dans des installations existantes, telles que le laser européen à électrons libres à rayons X (XFEL) de DESY à Hambourg, pour augmenter l’énergie des trains de particules sur de courtes distances.

Pour étudier le temps de récupération du plasma, l’équipe de recherche a envoyé des faisceaux d’électrons dans le plasma à différents intervalles de temps, de moins d’une nanoseconde à des centaines de nanosecondes, et a mesuré l’énergie des électrons après leur interaction avec le plasma. Ils ont constaté qu’après 63 nanosecondes, l’énergie était équivalente à celle des électrons tirés dans le plasma dans un état non perturbé.

Le Dr Richard D’Arcy, premier auteur de l’étude DESY et ancien élève de l’UCL, explique : « Contrairement aux accélérateurs conventionnels, où des ondes électromagnétiques à longue durée de vie stockées dans une cavité résonnante peuvent accélérer plusieurs groupes de particules en succession rapide, les champs électromagnétiques générés dans le plasma se désintègrent très rapidement après chaque processus d’accélération.

« Pour lancer un nouveau processus d’accélération similaire, les électrons et les ions du plasma doivent avoir « retrouvé » approximativement leur état initial, de sorte que l’accélération de la paire de groupes de particules suivante ne soit pas modifiée par l’accélération de la précédente ».

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