Une équipe de recherche japonaise démontre pour la première fois l'accélération par sillage ionique, des protons accélérés jusqu'à 60 MeV

L'Université de Kyushu, l'Institut national des sciences et technologies quantiques et l'Université d'Osaka ont récemment annoncé conjointement que leur équipe de recherche, en utilisant un laser à haute intensité irradiant une cible en mousse, a démontré expérimentalement pour la première fois le mécanisme d'“accélération par sillage ionique”, fournissant une nouvelle base expérimentale pour la recherche sur les accélérateurs d'ions pilotés par laser de nouvelle génération. Les résultats ont été publiés le 3 août, heure du Japon, dans *Communications Physics*.

Selon les informations, cette recherche vise à reproduire en laboratoire des processus physiques similaires à l'accélération de particules à haute énergie dans l'espace. Les accélérateurs à haute énergie traditionnels nécessitent généralement de longs tubes d'accélération ou de grands dispositifs annulaires, tandis que les champs électriques intenses générés par les ondes de plasma sont considérés comme prometteurs pour la miniaturisation des accélérateurs. Cependant, par rapport aux électrons, les protons et les ions, étant plus massifs, sont difficiles à capturer et à accélérer efficacement par le sillage de plasma se propageant à grande vitesse, ce qui a toujours constitué un défi majeur dans ce domaine.

L'équipe de recherche a utilisé l'installation laser à haute intensité J-KAREN-P de l'Institut de recherche de Kansai de l'Institut national des sciences et technologies quantiques, irradiant une cible en mousse spongieuse d'une épaisseur de 100 micromètres. En ajustant la densité de la cible en mousse, les chercheurs ont réduit la vitesse de phase de l'onde de plasma se propageant avec le laser, permettant aux protons quasi stationnaires d'être capturés par le champ électrique intense formé à l'avant du laser et d'être accélérés avec l'onde de plasma. Au cours de l'expérience, les protons ont été accélérés jusqu'à un maximum de 60 MeV.

Ce processus d'accélération est appelé “accélération par sillage en arc”. Lorsque le laser traverse un plasma de densité plus élevée, les électrons s'accumulent devant le laser, formant un champ électrique local de séparation de charges intense ; les protons, une fois capturés par ce champ électrique, gagnent continuellement de l'énergie dans le sillage se propageant avec le laser. L'équipe de recherche estime que ce mécanisme présente des similitudes avec les processus potentiellement présents dans l'accélération des rayons cosmiques, offrant également un moyen d'étudier en laboratoire les conditions d'accélération des particules spatiales.

Prochainement, l'équipe de recherche prévoit de développer un schéma d'accélération en deux étapes : d'abord, un premier laser pré-accélère les ions, puis ceux-ci sont injectés dans le sillage généré par un second laser pour une accélération supplémentaire. Les objectifs de recherche incluent la validation du principe d'accélération d'ions de quelques dizaines de MeV jusqu'à plusieurs centaines de MeV, ainsi que la réalisation d'expériences avec des lasers à plus haute intensité à l'aide des installations ELI-NP en Roumanie et Apollon en France, afin d'explorer la possibilité de générer des ions relativistes de niveau GeV. À l'avenir, ce mécanisme pourrait être développé en un système d'accélération d'ions piloté par laser à plusieurs étages, permettant de produire des faisceaux d'ions à plus haute énergie.