Le laser de grande puissance permet d’expliquer la réaction au rayonnement

Les rayonnements électromagnétiques nous entourent. On les trouve dans les ondes radio qui permettent aux téléphones portables de fonctionner, dans l’arc-en-ciel que nous observons lorsqu’il pleut par une journée ensoleillée, et dans les ondes infrarouges invisibles que nous utilisons dans nos télécommandes pour changer de chaîne de télévision. Nous savons qu’ils se présentent sous de nombreuses formes, depuis les ondes radio aux ondes hyperfréquence, en passant par les rayons X à haute énergie et les rayons gamma. Mais de quoi s’agit-il précisément?

Le rayonnement électromagnétique est l’énergie qu’une particule chargée, comme un électron, émet en accélérant. Quand la particule accélérée libère cette énergie, elle subit une force de rappel, c’est-à-dire une «réaction au rayonnement». En temps normal, les forces de la réaction au rayonnement sont trop faibles pour être étudiées, mais elles deviennent considérables dans les interactions laser-plasma et les contextes astrophysiques, où interviennent des énergies d’électrons et des champs électromagnétiques élevés.

Un article publié dans la revue «Physical Review X» démontre qu’une réaction au rayonnement survient lorsqu’une impulsion laser à haute intensité rencontre un faisceau d’électrons à haute énergie. Une équipe de scientifiques soutenus par les projets TeX-MEx et SF-QFT financés par l''UE ont réalisé cette expérience en recourant au laser Astra Gemini qui appartient à la Central Laser Facility du Royaume-Uni.

Le laser à double faisceau Astra Gemini génère deux faisceaux laser synchronisés, qui produisent ensemble un quadrillion (10¹⁵) de watts de puissance. Au cours de l’expérience, une impulsion laser a été utilisée pour produire un paquet d’électrons à haute énergie grâce à un processus connu sous le nom d''accélération laser-plasma, alors que le deuxième laser était dirigé vers le paquet d’électrons. Lorsque le faisceau d’électrons et l’impulsion laser se sont rencontrés, les électrons ont oscillé dans le champ électromagnétique du deuxième laser et ont dispersé les photons du faisceau laser, qui ont été détectés comme des rayons gamma. La perte énergétique des électrons a également entraîné une réaction au rayonnement.

Pour mieux comprendre la difficulté de parvenir à une collision, il faut prendre en considération le fait que les impulsions laser sont plus fines qu’un cheveu humain et ne durent que 45 femtosecondes, sans oublier qu’elles devaient heurter ce que l’un des scientifiques a décrit comme des «balles d’électrons de la taille du micron» qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. On pensait alors qu’une collision survenait lorsqu’un rayonnement gamma à haute énergie était détecté. En tenant compte de ces vitesses et largeurs infinitésimales, en plus d’autres facteurs, tels que les variations du faisceau d’électrons tir à tir, ainsi que la direction et la synchronisation du laser, on comprend clairement pourquoi le nombre de collisions réussies est faible.

Les valeurs relevées ont servi à comparer les modèles quantiques et classiques de la réaction au rayonnement. Il en résulte que les modèles classiques tendaient à surestimer les forces de réaction au rayonnement et les énergies des rayons gamma par rapport aux modèles quantiques. L’expérience a également permis de conclure que les données étaient plus cohérentes avec un modèle électromagnétique quantique, mais il n’en demeure pas moins que cette situation ne s’est présentée que dans un peu plus de 68 % des cas. En outre, d’autres études ont été nécessaires afin d’évaluer correctement les différents modèles.

Se tourner vers l’avenir

Le principal défi à relever pour l’équipe de projet sera de combiner simultanément des intensités de laser élevées, une stabilité du faisceau et des énergies de faisceau élevées dans les futures expériences, afin de recueillir suffisamment de données pour réaliser une étude systématique de la réaction au rayonnement en mécanique quantique.

Recourant à la technologie laser-plasma, le projet TeX-MEx (Time resolved X-ray probing of Matter under Extreme conditions) vise à mieux comprendre comment la matière se comporte dans l’univers. Le projet SF-QFT (Fundamental physics with intense laser fields) a pour objectif de tester les effets relativistes et quantiques dans des champs laser intenses, afin d’acquérir de nouvelles connaissances et de fournir un soutien aux futures expériences réalisées avec des lasers à haute intensité dans l’UE.

Pour plus d’informations, veuillez consulter:
TeX-MEx
SF-QFT