Traditionnellement, les accélérateurs de particules ont été des structures gargantuesques : des kilomètres d'aimants, de cavités et de tunnels, comme le Grand collisionneur de hadrons. Mais maintenant, les scientifiques explorent des accélérateurs qui pourraient tenir sur une table — ou même sur un microchip. Selon des simulations récentes, il est possible de construire un synchrotron microscopique utilisant de la "lumière tordue" et des nanotubes de carbone. Le concept est élégant : un laser polarisé circulairement pulse à travers un nanotube creux, créant un champ électromagnétique en spirale qui piège les électrons, les forçant à se déplacer en mouvement de vis. Alors qu'ils spiralent, ils émettent des rayons X cohérents et à haute énergie — et les champs à l'intérieur du nanotube pourraient atteindre des téra-volts (trillions de volts) par mètre, bien au-delà des accélérateurs conventionnels.
À une échelle plus grande mais toujours révolutionnaire, l'expérience AWAKE au CERN fait avancer un autre paradigme : l'accélération par champ de réveil de plasma. Dans ce schéma, un faisceau de protons à haute énergie génère des ondes dans un plasma, comme un hors-bord coupant à travers un lac. Les électrons "surfer" alors sur ces champs de réveil, gagnant des quantités massives d'énergie sur une distance beaucoup plus courte que dans les accélérateurs traditionnels. Les dernières mises à jour d'AWAKE incluent une nouvelle source de plasma à vapeur de rubidium qui est segmentée pour contrôler la densité, permettant des champs de réveil plus forts et ouvrant la voie à une accélération multi-étapes.
Pendant ce temps, les scientifiques trouvent des moyens de fusionner différents types d'accélérateurs. Une équipe de l'Université Ludwig-Maximilians à Munich a récemment démontré que la combinaison d'un accélérateur à champ de réveil alimenté par laser (LWFA) avec un accélérateur à champ de réveil alimenté par faisceau (PWFA) offre un meilleur contrôle et un faisceau d'électrons plus dense. Ce type de système hybride pourrait aider à apprivoiser l'environnement de plasma notoirement difficile, rendant les accélérateurs de nouvelle génération plus stables et efficaces.
Pourquoi tout cela est-il important ? Parce que ces accélérateurs compacts ont un potentiel dans le monde réel. Un accélérateur de table pourrait être sorti des installations nationales et amené dans des hôpitaux, des universités ou des laboratoires industriels. En médecine, ils pourraient améliorer l'imagerie — par exemple, en permettant des scans X haute résolution sans agents de contraste. Dans le développement de médicaments, les laboratoires pourraient utiliser ces accélérateurs pour analyser rapidement et en interne les structures protéiques. Et dans la science des matériaux ou la recherche sur les semi-conducteurs, ils pourraient sonder de manière non destructive des composants délicats.
Il y a aussi des avancées dans l'accélération laser-plasma. Des chercheurs au Berkeley Lab ont utilisé des lasers doubles et un nouveau système d'injection de gaz pour accélérer un faisceau d'électrons à 10 GeV en seulement 30 centimètres. C'est un faisceau puissant dans un espace minuscule — un signe clair que l'avenir de l'accélération pourrait ne pas résider dans des machines toujours plus grandes, mais dans des champs plus intelligents et plus intenses.
Bien sûr, une grande partie de cela est encore en phase de recherche ou de simulation. L'accélérateur de style microchip reste théorique, et les expériences pour le valider n'ont pas encore pleinement vu le jour. Les sources de plasma d'AWAKE sont en cours de mise à niveau, mais l'augmentation de l'échelle et le maintien de la qualité du faisceau resteront des défis techniques. Et la combinaison de différentes méthodes de champ de réveil exige un contrôle précis sur la dynamique du plasma, qui est notoirement capricieuse. Mais les chercheurs sont optimistes : les éléments de base existent déjà, et l'élan est en train de croître.
Avertissement sur les images AI "Les visuels sont créés avec des outils d'IA et ne sont pas de vraies photographies — ils servent d'illustrations conceptuelles."
Sources ScienceAlert CERN ScienceDaily Phys.org SciTechDaily / Berkeley Lab