Nobel: coup de projecteur sur la physique des particules
Publié par Adrien le 24/10/2018 à 08:00
Source: Cristina Agrigoroae - Copyright CERN
Cette année, le prix Nobel de physique a récompensé deux inventions révolutionnaires dans le domaine de la physique des lasers. Le prix a été attribué conjointement à Arthur Ashkin, des laboratoires Bell (États-Unis), pour ses travaux sur les pinces optiques, et à Gérard Mourou, de l'École polytechnique de Palaiseau (France) et Donna Strickland, de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) de Waterloo (Canada) " pour leur méthode de génération d'impulsions optiques ultra-courtes de haute intensité ".


L'amplification par dérive de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) est la technique utilisée aujourd'hui pour les lasers de haute puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), et notamment par le système High Average Power Advanced Petawatt Laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...) System (HAPL), récemment installé dans le complexe Extreme Light Infra

La technique développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des...) par Gérard Mourou et Donna Strickland, appelée amplification par dérive de fréquence (CPA en anglais), ouvre de nouvelles perspectives pour la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...). Proposée en 1985 comme fondement de la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) de Donna Strickland, la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) CPA rallonge temporellement (ou module) les impulsions lasers pour en réduire la puissance de crête, puis les amplifie avant de finir par les compresser, augmentant ainsi leur intensité. Cette technique est appliquée aux lasers haute puissance actuels et est employée dans le monde (Le mot monde peut désigner :) entier, notamment dans les domaines de la chirurgie (La chirurgie est une technique médicale consistant en une intervention physique sur les tissus, notamment par incision et suture. Un médecin spécialisé dans cette discipline est un...) oculaire (Un oculaire est un système optique complémentaire de l'objectif. Il est utilisé dans les instruments tels que les microscopes ou les télescopes pour agrandir l'image produite au plan focal de l'objectif. Un...) et du micro-usinage.

Depuis le début, il était évident que la technologie CPA revêtait un grand potentiel pour le domaine de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) des particules, et en particulier pour l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...) par champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de sillage plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent en trou...), technique de pointe par laquelle des particules chargées sont accélérées jusqu'à des énergies élevées sur de très courtes distances en les faisant " surfer " sur des vagues de plasma.

Lorsque nous avons inventé l'accélération par champ de sillage laser en 1979, je savais très bien que la technologie laser n'était pas suffisamment avancée pour parvenir à générer les champs de sillage, car ces derniers nécessitent des impulsions ultrarapides et ultra-intenses " explique Toshiki Tajima, de l'Université de Californie (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont le siège se trouve à Berkeley (Californie), comprenant dix campus situés dans...) d'Irvine. Toshiki Tajima a appris l'existence de la technologie CPA en 1989 et, quelques années plus tard, a commencé à collaborer étroitement avec Gérard Mourou. Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...), ils ont développé des lasers de très haute intensité ainsi que leur application aux accélérateurs, y compris à ceux utilisés à des fins médicales et à d'autres fins, comme la transmutation (La transmutation est la transformation d'un élément chimique en un autre par une modification du noyau atomique de l'élément. Elle est aussi appelée transmutation nucléaire.) et les rayons X intenses.

À l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) actuelle, des accélérations d'un ordre de grandeur de deux à trois gradients au-dessus de celles obtenues grâce aux techniques utilisant les radiofréquences sont possibles dans les expériences exploitant le champ de sillage plasma généré par des lasers de pointe, ce qui laisse augurer la création d'accélérateurs de particules plus compacts et potentiellement moins coûteux. Bien qu'ils n'aient pas encore atteint le niveau de qualité et de fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le...) des accélérateurs classiques, les accélérateurs plasma devraient, à terme, surmonter les contraintes de la technologie radiofréquence employée aujourd'hui, estime Constantin Haefner, directeur du programme de photonique avancée au Laboratoire national de Lawrence Livermore. " La course a commencé ", a-t-il déclaré.

Comme les électrons, les protons peuvent être utilisés pour entraîner les accélérateurs plasma. Il y a quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) à peine, l'expérience du CERN AWAKE a réalisé la première accélération par champ de sillage plasma entraînée par des protons dans une longue cellule plasma. Même si dans le cadre d'AWAKE, le plasma n'est pas entraîné par laser, des lasers de haute puissance sont utilisés pour générer le plasma à partir de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre...), procédé qui amorce également le processus d'accélération.

Au-delà de son application aux accélérateurs, l'incroyable intensité de chaque impulsion produites par la technologie CPA ouvre la voie à de nouveaux types d'expériences de physique des hautes énergies. Celles-ci seront au centre de l'Extreme Light Infrastructure (ELI), dont la construction arrive à son terme en Hongrie, en République tchèque et en Roumanie. Lancée à l'initiative de Gérard Mourou en 2005, l'infrastructure ELI exploitera des lasers pétawatt de haute puissance tels que le High Average Power Advanced Petawatt Laser System (HAPLS) du Laboratoire national de Lawrence Livermore.

L'International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology (IZEST), créé en France en 2011, augmentera la puissance de ses installations lasers pour leur faire atteindre l'exawatt et le zettawatt. Dirigé par Gérard Mourou et Toshiki Tajima, l'IZEST mène notamment des études sur la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des...) et l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) noire, et sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs...) la non-linéarité du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) par spectroscopie dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) zeptoseconde.
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