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Projeter des électrons à 99,99 % de la vitesse de la lumière avec un accélérateur à particules de poche !

Crédits : Université de Manchester

Les physiciens et autres médecins rêveraient de bénéficier d’un accélérateur de particules économique et compact. De récentes recherches au Royaume-Uni donnent l’espoir de voir apparaître ce genre d’appareil. Les directeurs du projet évoquent les impulsions térahertz, élément clé de leur développement.

Un accélérateur de particules de poche

Les accélérateurs de particules sont généralement utilisés par des physiciens afin de comprendre les secrets de la matière. On les utilise aussi en médecine pour la production de radio-isotopes (imagerie) ou encore pour le traitement de patients atteints du cancer. Pour les professionnels, les applications pourraient être plus nombreuses si cette technologie faisait un jour l’objet d’une réduction en termes de taille et de prix.

Dans une étude parue dans la revue Nature Photonics le 10 août 2020, une équipe de l’Université de Manchester (Royaume-Uni) a déclaré avoir mis au point un accélérateur de particules de poche. Il s’agit d’une simple structure métallique doublée de couches de quartz, dont l’épaisseur est plus fine qu’un cheveu ! Avec cette solution, les accélérateurs de particules de plusieurs kilomètres de long pourraient être réduits à seulement quelques mètres.

99,99 % de la vitesse de la lumière

La solution des chercheurs prend la forme de lasers générant des impulsions de lumière à des fréquences térahertz (THz). Rappelons au passage que cette zone du spectre électromagnétique se trouve entre l’infrarouge et les micro-ondes. Celle-ci correspond à des ondes millimétriques et c’est justement ce qui intéresse les scientifiques dans la simplification de la structure de leur accélérateur. Or, cette solution est tout à fait compatible avec des paquets d’électrons à d’importants niveaux de charge.

accélérateur de particule de poche
Crédits : Université de Manchester

Le principal défi consistait à faire correspondre la vitesse du champ accélérateur THz avec la vitesse du faisceau d’électrons, une vitesse proche de celle de la lumière, le tout en empêchant la vitesse intrinsèquement inférieure de l’enveloppe d’impulsions THz se propageant à travers notre structure de dégrader significativement la longueur sur laquelle le champ accélérateur et les électrons interagissent“, ont indiqué les directeurs de l’étude dans un communiqué.

Les scientifiques ont réglé le problème en développant une source THz capable de générer des impulsions plus longues sur une gamme étroite de fréquences. Ainsi, ils ont réussi la prouesse d’accélérer des faisceaux d’électrons ultrabrefs jusqu’à 99,99 % de la vitesse de la lumière !

Du plus petit au plus gros

En janvier 2020, nous évoquions les travaux de l’Université de Stanford concernant un prototype d’accélérateur capable de tenir sur une petite puce de silicium. Plutôt que d’utiliser des micro-ondes comme dans le cas de leur accélérateur SLAC (3,2 km de long), les scientifiques ont pensé à un laser générant de la lumière infrarouge à raison de 100 000 impulsions par seconde.

Le dernier projet de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) s’inscrit quant à lui dans la démarche inverse. Il s’agit de construire un nouvel accélérateur de particules de 100 km de long, le Future Circular Collider (FCC). La construction de ce FCC débutera en 2038 à Genève (Suisse). Celui-ci deviendra alors le plus grand accélérateur de particules du monde, devant l’actuel Grand collisionneur de hadrons (LHC) et ses 27 km de long. L’objectif d’une telle installation sera de travailler davantage sur le boson de Higgs et ainsi bousculer les limites actuelles de la physique.