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Un futur collisionneur à électrons au CERN ?

Le grand collisionneur de hadrons du CERN accélère des protons au long d'un cercle de 27 km jusqu'à des vitesses proches de celles de la lumière. Il les fait ensuite se rencontrer de front. Ce choc vise à faire apparaître de nouvelles particules. Mais le même processus ne peut être utilisé dans le cas des électrons, qui ne se déplacent qu'en ligne droite.

Les électrons sont un des composants de l'atome, avec les protons et les neutrons (https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron). Il s'agit de particules dites fondamentales, ce qui signifie qu'elle ne sont pas considérées comme composées de particules plus petites. Mais ceci peut être erroné. Il serait donc intéressant d'observer ce qui se passerait au cas où ils se rencontreraient de front après avoir été convenablement accélérés. Mais ceci supposerait des accélérateurs linéaires d'une grande puissance, non encore réalisés.

Le CERN, pour progresser dans cette voie, a mis au point une expérience dite Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE). Celle-ci consiste à envoyer un ensemble de centaines de milliards de protons dans un tube emplis d'atomes de rubidium dépourvus de leurs électrons, ce qui en fait un plasma.

Le plasma est un des 4 états de la matière, avec l'état solide, liquide et gazeux.  C'est un état désordonné, constitué de charges électriques libres dans un champ de force et ayant une durée de vie longue comparée aux temps caractéristiques des déplacements. La matière devient un plasma quand elle est chauffée à très haute température (environ 2 000°) ou soumise à un champ magnétique intense. La couronne solaire est un plasma.

Dans AWAKE, le plasma de rubidium fait éclater le flux de protons en petits groupes, lesquels en se déplaçant dans le plasma forment des vagues analogues à celles produites par un speedboat dans un lac. Lorsque des électrons sont injectés dans le tube, ils se trouvent pris dans les vagues et accélérés.

L'accélération de produisant d'un seul coup, elle ne demande pas beaucoup d'espace. Le tube à plasma n'a que 10 m de long et les électrons y sont accélérés à des énergies de 2 gigaelectronvolts (GeV). Mais pour que l'on puisse les faire se collisionner, ou entrer en collision avec des quarks, il faudra des énergies bien plus élevées, autour de centaines de GeV.

Les quarks (https://fr.wikipedia.org/wiki/Quark) sont des particules élémentaires qui s'associent pour former des hadrons, neutrons ou protons Mais ils ne peuvent être isolés, ce qui ne permet pas de les observer. Les faire se rencontrer avec des électrons pourrait faire éclater et révéler des états de la matière encore inconnus.

La suite de l'expérience AWAKE du Cern consistera à provoquer des accélérations d'électrons a de plus hautes énergies que celles obtenues actuellemen. Ceci paraît possible aux responsables de AWAKE. En cas de succès, les conceptions que la physique se fait aujourd'hui de la matière pourraient être bouleversées.

Référence :  NatureDOI: 10.1038/s41586-018-0485-4

Abstract

High-energy particle accelerators have been crucial in providing a deeper understanding of fundamental particles and the forces that govern their interactions. To increase the energy or to reduce the size of the accelerator, new acceleration schemes need to be developed. Plasma wakefield acceleration1–5, in which the electrons in a plasma are excited, leading to strong electric fields, is one such promising novel acceleration technique. Pioneering experiments have shown that an intense laser pulse6–9 or electron bunch10,11 traversing a plasma drives electric fields of tens of gigavolts per metre and above. These values are well beyond those achieved in conventional radio-frequency accelerators, which are limited to about 0.1 gigavolt per metre. A limitation of laser pulses and electron bunches is their low stored energy, which motivates the use of multiple stages to reach very high energies5,12. The use of proton bunches is compelling, as they have the potential to drive wakefields and accelerate electrons to high energy in a single accelerating stage13. The long proton bunches currently available can be used, as they undergo a process called self-modulation14–16, a particle–plasma interaction which longitudinally splits the bunch into a series of high-density microbunches, which then act resonantly to create large wakefields. The Advanced Wakefield (AWAKE) experiment at CERN17–19 uses intense bunches of protons, each of energy 400 gigaelectronvolts (GeV), with a total bunch energy of 19 kilojoules, to drive a wakefield in a 10-metre-long plasma. Bunches of electrons are injected into the wakefield formed by the proton microbunches. Here we present measurements of electrons accelerated up to 2 GeV at the AWAKE experiment. This constitutes the first demonstration of proton-driven plasma wakefield acceleration. The potential for this scheme to produce very high-energy electron bunches in a single accelerating stage20 means that the results shown here are a significant step towards the development of future high-energy particle accelerators21,22.

 

30/08/2018
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