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L’accélération plasma par sillage

L’accélération plasma est devenue une technique très à la mode en physique des particules car prometteuse pour l’avenir, mais que ce que cache exactement derrière ce terme ?

En effet, ce type d’accélération s’oppose aux accélérateurs « conventionnels » où les particules sont accélérées par des cavités radiofréquences au sein d’accélérateurs gigantesques (et donc onéreux) de plusieurs dizaines de kilomètres pour les plus grands. Dans l’accélération plasma, fini les cavités radiofréquences ! Les particules sont accélérées par le sillage (wakefield en anglais) laissé par une particule dans un plasma et cela permet de réduire la taille des accélérateurs par un facteur d’au moins 500! La réduction de la taille et donc du coût de ces accélérateurs, en font d’excellents candidats pour les applications industrielles et médicales de demain mais il reste encore du chemin à parcourir…jean-gouffon2

Un peu d’histoire

Le concept a été imaginé à la fin des années 70 à l’université de Californie (UCLA), voir ce papier de Tajima et Dawson. Les premiers prototypes ont vu le jour dans les années 80 et se sont révélés prometteurs. Après plus de 30 ans d’expériences et d’idées nouvelles, plusieurs grands centres de recherche, aux Etats-Unis principalement, ont réussi à atteindre des énergies relativement importantes, de l’ordre du GeV (Giga Electronvolt) sur de petites distances tout en ayant une bonne répétabilité des expériences. Tous les grands centres de recherche en physique planchent aujourd’hui sur cette « nouvelle » technique.

Le principe

Tout d’abord, rappelons qu’un plasma est un état de la matière où les électrons se meuvent librement. Cela se produit en général dans des gaz chauffés à haute température (plus de 2000 degrés) ou exposés à de très forts champs magnétiques. L’état plasma est en fait l’était de la matière le plus commun dans l’univers car les étoiles sont des plasmas. Sur terre, on peut citer les éclairs et les néons qui sont aussi des plasmas.

Un plasma, vu de loin, est électriquement neutre: il y a autant de charges négatives dues aux électrons que de charges positives dues aux ions. Cependant, si on arrive à séparer les électrons des ions localement, on peut créer un champ électrique important sur une très faible distance et donc accélérer des particules. Pour séparer les électrons des ions longitudinalement, il existe plusieurs techniques pour former un sillage dans le plasma, créant ainsi localement d’importants champs électriques. Ce sillage peut être provoqué par plusieurs types de particules traversant le plasma :

  • Un paquet d’électrons
  • Un paquet de protons
  • Une impulsion laser (un paquet de photons)

Aux Etats-Unis : Laser-Plasma

La plupart des expériences aux Etats-Unis s’intéressent à l’accélération laser-plasma car plus simple à mettre en œuvre et jugée plus prometteuse pour les applications. En effet, il parait plus simple et plus économique de mettre en place un LASER très puissant, plutôt qu’un autre accélérateur de particules en amont pour fabriquer le sillage. Citons quelques réussites d’accélération laser-plasma aux Etats-Unis :

  • Au LBNL (Lawrence Berkley National Laboratory): des électrons sont accélérés à 1 GeV en 3,3 cm.
  • A l’université du Texas (Austin): des électrons sont accélérés à 2 GeV en 2 cm (c’est le record actuel).
  • Au SLAC : un gain de 40 GeV est apporté à un faisceau d’électrons en seulement 85cm.

berkley_laserplasmaLe LBNL a produit un faisceau d’électrons de 1GeV sur 3.3 cm. © Lawrence Berkeley National Laboratory.

A titre de comparaison, il faut aujourd’hui compter environ 65 mètres pour accélérer des électrons à 1 GeV avec les techniques traditionnelles (cavités radiofréquences), on voit bien ici l’immense potentiel de l’accélération plasma pour les applications industrielles et médicales.

 Au CERN : AWAKE

Quant au CERN à Genève (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), une nouvelle expérience est en train de voir jour sur cette thématique qui s’appelle AWAKE (Advanced Wakefield Acceleration). Ici, c’est un faisceau de protons provenant d’un accélérateur classique de 7km (le SPS) à 400 GeV qui va venir créer le sillage dans un plasma pour accélérer des électrons sur une dizaine de mètres jusqu’à une énergie de 1 TeV. Cette énergie (1TeV = 1 000 GeV) est mille fois plus importante que les autres expériences d’accélération plasma mais n’oublions pas qu’ici la source pour créer le sillage provient d’un accélérateur classique de 7 km de circonférence tout de même… Cette technique, encore jamais expérimentée, sera ici mise sur pied pour la première fois dans l’objectif de remplacer les cavités radiofréquences classiques des futurs grands accélérateurs de particules (on en est encore très loin, mais il faut bien commencer quelque part !). awake

Schéma général de l’expérience AWAKE. © CERN.

Vous constaterez tout de même la présence d’un LASER dans cette expérience AWAKE car les paquets de protons doivent être du même ordre de grandeur que la longueur d’onde du plasma et il faut donc les « découper » à la bonne taille. C’est avec un puissant laser qu’on va réaliser cette tâche : chaque paquet du SPS va être divisé en environ une centaine de plus petits paquets en utilisant une instabilité d’auto-modulation dans le faisceau de protons. Voir cette vidéo qui vaut toutes les explications du monde.

AWAKE réutilise des installations souterraines existantes au CERN qui hébergeaient auparavant CNGS (expériences sur les neutrinos vers Gran-Sasso). Cependant, deux nouveaux petits tunnels sont en train d’être excavés dans la zone existante pour héberger la ligne LASER ainsi que la source d’électrons. Si tout va bien, les premiers électrons devraient être accélérés fin 2016.

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Excavation d’un nouveau tunnel pour AWAKE. © CERN.

Les états de la matière

Tout le monde connait les 3 états de la matière : solide, liquide et
gaz. Cependant, peu de personnes sont capables de bien définir ces 3 états et il en existe d’autres que peu de gens connaissent.

états de la matière

Les états « classiques »

Prenez un glaçon (solide), mettez le dans une casserole et chauffez le : le glaçon va fondre en eau (liquide) puis l’eau va se vaporiser en vapeur (gaz). Ca y est, vous venez d’explorer la matière dans tous ses états !

Pour comprendre les différents états de la matière, on peut dessiner un diagramme de phases qui représentent les 3 états (ou phases) d’un élément en fonction de sa température et de sa pression. Dans le cas de l’eau à pression atmosphérique (1 bar), la phase est solide en dessous de 0°C, liquide entre 0°C et 100°C et gazeuse au dessus de 100°C. Le passage d’une phase à une autre porte un nom précis et se réalise à pression et à température constante, il y a donc des points (en fait des lignes) où 2 états de la matière coexistent lors du changement de phase.

 

diagramme etats

Diagramme de phases de l’eau


Il faut bien comprendre que pour connaitre l’état d’un élément, il ne suffit pas de connaitre sa température: sa pression est également indispensable! Par exemple, on peut obtenir de la vapeur d’eau à -10°C à très basse pression et de l’eau liquide à 300°C sous haute pression, ce qui peut s’avérer très pratique. L’eau liquide pressurisée à environ 300 °C est par exemple utilisée dans certains réacteurs nucléaires pour refroidir le cœur de la centrale (centrales de type EPR), voir ce billet sur le blog d’Alexandre Moatti.

Il existe également 2 points particuliers :

  • Le point triple où les 3 états coexistent ensemble (0,006 bar et 0,01°C pour l’eau).
  • Le point critique : au-delà de ce point, liquide et gaz ne sont plus distinguables et on parle alors de fluide supercritique (218 bar et 374 °C pour l’eau).  C’est en quelque sorte un état indéfini, car au-delà de ce point, les transitions de phase sont impossibles et donc il n’est plus possible de distinguer gaz et liquide.

Caractéristiques microscopiques et propriétés

Les solides sont caractérisés par un agencement des atomes très ordonnés et rapprochés. Il est donc très difficile de les comprimer car il y a peu d’espace entre les atomes. De plus, tous les atomes sont liés fortement les uns aux autres, ce qui confère aux solides une forme propre bien délimitée dans l’espace.

Les liquides sont caractérisés quant à eux par un agencement désordonnés des atomes mais toujours assez rapprochés, ils sont donc également difficilement compressibles. En revanche, les atomes sont peu liés les uns aux autres et les liquides ne possèdent donc pas de forme propre et peuvent d’évaporer facilement.

Les gaz sont caractérisés par un agencement des atomes désordonnés et espacés et peuvent ainsi être comprimé facilement. Les atomes ne sont pas liés les uns aux autres et sont très agités. Pour ces raisons, les gaz se répandent librement et n’ont pas de forme propre sans pouvoir être délimités.

Le verre

verre fusion

Le verre est-il solide ou liquide ? La réponse parait évidente: solide ! Malheureusement, la réalité n’est pas aussi évidente. En effet, le verre serait plutôt un liquide extrêmement visqueux mais là encore, les avis divergent. Du point de vue microscopique, le verre ressemble vraiment à un liquide car il possède des atomes très désordonnés sans aucun schéma répétitif contrairement à un cristal qui lui est bien ordonné et appartient donc à la famille des solides. Du point de vue thermodynamique, là encore il est difficile de trancher, le verre est fabriqué à partir d’une phase liquide très chaude qui quand on la refroidit et ne subit pas la transition de phase normale vers le solide (cristal) mais une transition dite « vitreuse » et caractéristique du verre.

Mais attention tout de même, contrairement à certaines croyances, le verre ne coule pas et si les vitres de Versailles sont plus épaisses en bas qu’en haut ce n’est pas parce que le verre a coulé mais à cause du procédé de fabrication de l’époque.

La matière molle

tomate cube

Le problème est que les 3 états que je qualifie de « classiques » ne suffisent parfois pas à bien caractériser un état de la matière. Même des choses communes posent parfois problème. Par exemple, comment qualifieriez-vous la mousse à raser, du dentifrice, un gel douche ou bien de la gelée alimentaire ? La réponse n’est pas si aisée, surtout si on y regarde de plus près au microscope. En fait, on qualifie ces matières de « molles ».

La matière molle est une appellation qui regroupe les colloïdes (substances ayant 2 phases dont les particules d’une phase sont très petites et diffusées dans l’autre phase comme une mousse au chocolat), les cristaux liquides (les écrans de vos montres électroniques) et les polymères (ensemble de macromolécules comme les plastiques). Cette physique de la matière molle est très récente et a émergée il y a une quarantaine d’années, particulièrement avec le prix Nobel de physique français Pierre-Gilles De Gennes. L’étude de la matière molle constitue toujours un intérêt majeur pour la recherche qui ne cesse de progresser dans la compréhension de ces états de la matière qui intriguent.

Le plasma

Le plasma est un quatrième état de la matière bien à part qui est caractérisé par le fait que les électrons peuvent se mouvoir librement alors que dans les trois autres phases classiques (solide, liquide et gaz), les électrons sont liés aux noyaux des atomes en gravitant autour. Les plasmas sont obtenus en portant à très haute température un gaz ou en appliquant un important champ électrique, on parle alors de gaz ionisé.

Les plasmas sont très répandus dans l’univers (étoiles, quasars, pulsars)  mais sont également présents dans des phénomènes naturels terrestres comme les aurores boréales ou plus simplement les éclairs. Dans les applications domestiques, certains téléviseurs plats (écrans plasmas) utilisent cet état de la matière
ainsi que dans ces fameuses « boules à plasma » qu’on trouve dans certains magasins de gadgets.

Lampe Plasma
Superfluide

Il existe également d’autres états bien distincts des autres par leurs propriétés exceptionnelles. C’est le cas des superfluides qui ne présentent pas de viscosité (ils s’écoulent parfaitement) à très basse température. Ce phénomène est observé uniquement en laboratoire et se produit avec de l’hélium refroidi en dessous de -271°C (2,2 K). Voir un de mes billets précédents sur les supers états.

Il existerait également un phénomène analogue sur les solides (supersolides) mais les observations sont encore controversées… Affaire à suivre. Tout cela pour vous faire comprendre que la matière est parfois plus complexe qu’il n’y parait et que même les physiciens ont du mal à classer et comprendre toutes ces formes de matière parfois étranges