Un prototype démontre la faisabilité des accélérateurs de particules térahertz

Habituellement, un accélérateur de particules utilise le rayonnement électromagnétique dans la plage haute fréquence des ondes radio. L’accélérateur Petra III de Desy fonctionne par exemple à une fréquence de 500 mégahertz. Emilio Nanni de l’Institut de technologie du Massachusett (MIT) et ses collègues ont mis au point un prototype d’accélérateur de particules qui fonctionne avec un rayonnement térahertz. Ses longueurs d’onde se situent dans le spectre électromagnétique entre la lumière infrarouge et les micro-ondes, et sont ainsi mille fois plus petites que les ondes radio des synchrotrons actuels. Franz Kärtner du MIT explique que l’avantage est que tout est mille fois plus petit.

Pour concevoir leur prototype, les chercheurs ont utilisé un module d’accélérateur spécial, à microstructure. A partir d’une sorte de canon à électrons, les physiciens ont bombardé des électrons dans le module de l’accélérateur miniature, qui ont ensuite été accélérés par le rayonnement térahertz injecté. Dans ce tout premier prototype, l’énergie dégagée par les particules est supérieure de sept kiloélectrons-volts (keV). «Cette accélération n’est pas encore très puissante mais l’essai montre que le principe fonctionne dans la pratique», expliquait Koautor Arya Fallahi du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), responsable des calculs théoriques. «En théorie, il serait possible de générer un gradient d’accélération pouvant atteindre jusqu’à un gigavolt par mètre.» C’est plus de dix fois la valeur atteinte aujourd’hui par les modules d’accélérateurs conventionnels. La technologie d’accélérateur plasma, elle aussi expérimentale, permet une accélération encore plus importante, mais elle nécessite par contre une puissance laser bien plus élevée que l’accélérateur térahertz.

Les physiciens précisent que la technologie térahertz est intéressante à la fois dans le domaine de la physique des particules dans l’optique des accélérateurs linéaires du futur, et pour la construction de lasers à rayon X et de sources d’électrons compacts utilisés dans les domaines de la recherche sur les matériaux et dans les applications médicales. «Les progrès colossaux que nous réalisons dans la production de rayonnement térahertz avec des méthodes optiques permettront à l’avenir de développer des accélérateur térahertz pour ces applications», soulignait Erstautor Nanni.

Au cours des prochaines années, les physiciens du CFEL souhaiteraient mettre au point le premier laser à électrons libres source de rayons X (XFEL) en format de laboratoire. Ce projet sera soutenu par un Synergy Grant du Conseil européen pour la recherche (CER).