Accélération d’électrons réussie pour AWAKE

La ligne d'accélération d'électrons de l'expérience AWAKE. (Image : Maximilien Brice/Julien Ordan/CERN)

Samedi 26 mai 2018, tôt le matin, la collaboration AWAKE au CERN est parvenue à réaliser la toute première accélération d’électrons au moyen d’un champ de sillage créé par des protons filant à travers un plasma. Ce résultat important a été annoncé aujourd'gui dans la revue Nature. Les électrons ont été accélérés d’un facteur d’environ 100 sur une distance d’environ 10 mètres : injectés dans la cellule d’AWAKE à une énergie d’environ 19 MeV (millions d’électronvolts), ils ont été portés à une énergie de presque 2 GeV (milliards d’électronvolts). L’utilisation des champs de plasma n’est encore qu’au tout début de son développement, mais elle pourrait réduire drastiquement les dimensions, et donc les coûts, des accélérateurs nécessaires pour produire les collisions de haute énergie que les physiciens utilisent pour étudier les lois fondamentales de la nature. Cette première démonstration de l’accélération d’électrons par AWAKE arrive seulement cinq ans après l’approbation du projet par le CERN, en 2013, et il s’agit d’une étape importante vers la concrétisation de cette perspective pour l’avenir.

AWAKE, l’expérience de pointe sur les champs de sillage, est un projet de R&D de démonstration de principe qui étudie l’utilisation de protons pour créer des champs de sillage dans du plasma afin de porter des électrons à des énergies plus élevées que celles atteintes avec les technologies conventionnelles. Les accélérateurs utilisent traditionnellement, pour accélérer les faisceaux de particules, des dispositifs appelés cavités radiofréquence. Cette technologie demande d’alterner la polarité électrique de zones chargées positivement et négativement à l’intérieur des cavités radiofréquence, et c’est la combinaison entre l’attraction et la répulsion qui accélère les particules à l’intérieur de la cavité. Dans les accélérateurs fonctionnant avec des sillages plasma, par contre, les particules sont accélérées en « surfant » sur la crête des vagues de plasma (appelées champs de sillage), qui comprennent elles aussi des zones de charge positive et négative.

L’idée d’utiliser des champs de sillages plasma n’est pas nouvelle ; elle a été proposée pour la première fois à la fin des années 1970. « Les accélérateurs fonctionnant avec des champs de sillage ont deux faisceaux différents : le faisceau de particules que l’on souhaite accélérer est appelé faisceau témoin, tandis que le faisceau qui crée le champ de sillage est appelé faisceau d’entraînement », explique Allen Caldwell, porte-parole de la collaboration AWAKE. Les exemples précédents d’accélération par champs de sillage s’appuyaient sur l’utilisation d’électrons ou de lasers pour le faisceau d’entraînement. AWAKE est la première expérience à utiliser un faisceau d’entraînement composé de protons, et le CERN constitue bien entendu l’environnement rêvé pour tester ce concept. Il faut savoir que les faisceaux d’entraînement composés de protons pénètrent plus profondément dans le plasma que les faisceaux laser ou les faisceaux d’électrons. « Par conséquent, poursuit Allen Caldwell, si les accélérateurs fonctionnant avec des champs de sillage utilisent des protons pour leurs faisceaux d’entraînement, ils peuvent accélérer leurs faisceaux témoins sur une plus grande distance, et donc leur permettre d’atteindre des énergies plus élevées. »

AWAKE reçoit les protons composant son faisceau d’entraînement du Supersynchrotron à protons (SPS), dernier accélérateur de la chaîne qui fournit les protons au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Les protons provenant du SPS, qui circulent avec une énergie de 400 GeV, sont injectés dans une « cellule plasma » d’AWAKE remplie de rubidium gazeux chauffé uniformément à une température d’environ 200 °C. Ces protons sont accompagnés d’une impulsion laser qui transforme le rubidium gazeux en plasma – un état particulier de gaz ionisé – en éjectant les électrons des atomes de gaz. Quand le faisceau d’entraînement, composé de protons de charge positive, traverse le plasma, il fait osciller les électrons, qui sont de charge négative et normalement répartis de façon aléatoire dans le plasma, suivant un schéma semblable à une vague, comme un bateau qui, en se déplaçant sur l’eau, crée des oscillations dans son sillage. Les électrons témoins sont alors injectés dans ce plasma en oscillation, à un certain angle par rapport à la ligne de faisceau et à des énergies relativement faibles, et ils se mettent à « surfer » l’onde de plasma, ce qui leur permet d’être accélérés. À l’autre extrémité de la cellule plasma, un aimant dipolaire incurve la trajectoire des électrons qui arrivent et les envoit vers un détecteur. « Le champ magnétique du dipôle peut être ajusté de sorte que seuls les électrons ayant une énergie spécifique traversent le détecteur, et qu’ils émettent un signal dans une partie précise à l’intérieur de celui-ci, explique Matthew Wing, porte-parole adjoint d’AWAKE et responsable de ce dispositif, appelé spectromètre à électrons. C’est comme ça que nous parvenons à calculer que les électrons accélérés ont atteint une énergie allant jusqu’à 2 GeV. »

L’énergie à laquelle un accélérateur peut porter un faisceau de particules par unité de longueur est appelée gradient d’accélération, et cette valeur est mesurée en volts par mètre (V/m). Plus le gradient d’accélération est élevé, plus l’accélération est efficace. Le Grand collisionneur électron-positon (LEP), exploité au CERN entre 1989 et 2000, utilisait des cavités radiofréquence conventionnelles et avait un gradient d’accélération nominal de 6 MV/m. « En accélérant des électrons jusqu’à 2 GeV en seulement 10 mètres, l’expérience AWAKE a démontré qu’elle pouvait atteindre un gradient d’accélération moyen d’environ 200 MV/m », explique Edda Gschwendtner, coordinatrice technique et responsable du projet AWAKE au CERN. Avec son équipe, elle vise à atteindre, dans le futur, un gradient d’accélération d’environ 1000 MV/m (ou 1 GV/m).

La chef de projet AWAKE du CERN, Edda Gschwendtner, explique comment l'expérience a accéléré des électrons pour la toute première fois. (Vidéo : CERN)

Le projet AWAKE a avancé rapidement depuis son lancement. Les travaux de génie civil ont commencé en 2014, et la cellule plasma a été installée début 2016 dans le tunnel, qui abritait jusqu’alors des éléments la partie de l’installation CNGS située au CERN. Quelques mois plus tard, les premiers faisceaux d’entraînement composés de protons ont été injectés dans la cellule plasma pour la mise en service du dispositif d’expérimentation, et un champ de sillage entraîné par des protons a été observé pour la première fois fin 2016. À la fin de l’année 2017, la source d’électrons, la ligne de faisceau d’électrons et le spectromètre à électrons ont été installés auprès de l’expérience AWAKE, marquant la fin de la phase préparatoire.

Maintenant qu’elle a démontré la possibilité d’accélérer des électrons au moyen de champs de sillage dans du plasma entraînés par des protons, l’équipe d’AWAKE a le regarde tourné vers l’avenir. « Pour les prochaines étapes, nous souhaiterions fournir des électrons accélérés à une expérience de physique, et faire grandir le projet de sorte qu’il ait un programme de physique complet qui lui soit propre », indique Patric Muggli, coordinateur pour la physique d’AWAKE. AWAKE continuera de tester l’accélération d’électrons au moyen de champs de sillage pendant le reste de l’année 2018, après quoi l’ensemble du complexe d’accélérateurs du CERN sera arrêté pendant deux ans pour des travaux d’amélioration et de maintenance. Edda Gschwendtner est optimiste : « Nous nous réjouissons d’obtenir davantage de résultats de notre expérience afin de démontrer la portée de l’utilisation des champs de sillage dans du plasma comme principe de base pour de futurs accélérateurs de particules. »