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Accélérer de l’antimatière avec des plasmas

Une équipe internationale impliquant un chercheur du Laboratoire d’Optique Appliquée de l'École polytechnique est parvenue à accélérer des positrons - l'antiparticule de l'électron - dans un plasma. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 27 août 2015.

Simulation d'une accélération haute énergie de positron dans un gaz ionisé (ou plasma), une nouvelle méthode qui pourrait permettre d'atteindre de plus grandes énergies. L'image montre la formation d'un plasma de haute densité (en vert et orange) entourant un faisceau de positrons se déplaçant de droite à gauche et de bas en haut. Les électrons plasma traversent ce faisceau en trajectoires ondulées.  © Weiming An (UCLA)

Leurs résultats sont publiés dans la revue Nature du 27 août 2015. L’étude, menée par Sébastien Corde, maître de conférences à l’École polytechnique et chercheur au Laboratoire d’Optique Appliquée (École polytechnique / CNRS / ENSTA ParisTech, Université Paris-Saclay), a permis de mettre en lumière une nouvelle méthode permettant d’accélérer les positrons dans un plasma.

Pour étudier les constituants élémentaires de la matière et les forces de la nature, les physiciens examinent les collisions entre particules. Les collisions électron positron sont particulièrement intéressantes : plus simples à étudier, elles permettent également des mesures beaucoup plus précises. En effet, contrairement aux protons qui sont utilisés pour les collisions du Large Hadron Collider (LHC) au CERN, les électrons et les positrons sont des particules élémentaires.
Pour appliquer l’accélération plasma à la physique des hautes énergies et aux collisions électron positron, il faut donc être capable d’accélérer à la fois des électrons et des positrons dans des plasmas.

Jusqu’ici, les travaux de recherche s’étaient focalisés sur l’accélération d’électrons. Or, les méthodes d’accélération plasma utilisées pour les électrons s’avèrent être inadéquates pour les positrons.

Un nouveau mécanisme vient d’être découvert et permet de surmonter ces obstacles. Ces nouveaux types d’accélérateurs pourraient permettre de réduire la taille et le coût des grands collisionneurs de particules et d’atteindre de plus grandes énergies, et ainsi de pousser encore plus loin notre compréhension du monde subatomique.

L’étude, menée par Sébastien Corde, dans une collaboration impliquant le SLAC National Accelerator Laboratory, l’Université de Californie Los Angeles, l’Université d’Oslo et l’Université de Tsinghua, et réalisée à l’aide de l’installation Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET) du SLAC, a permis de mettre en lumière une nouvelle méthode permettant d’accélérer les positrons dans un plasma. Dans le milieu plasma, composé d’ions et d’électrons libres, une onde de densité de charge de grande amplitude est excitée et auto-amortie, et permet d’accélérer des positrons avec des champs électriques très importants et ce, de manière très efficace.

> Lire le communiqué de presse
> Voir la vidéo d'animation sur le processus d'accélération des positrons dans un plasma