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Laplace, lieu de tous les possibles pour l’accélération laser-plasma

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Au milieu des années 2000, le Laboratoire d’optique appliquée (LOA), un des laboratoires de l'Institut Polytechnique de Paris, créait l’événement en démontrant qu’il était possible d’accélérer très rapidement des électrons en faisant interagir un laser avec un plasma. Cette prouesse technique a ouvert des perspectives révolutionnaires dans le domaine de l’accélération de particules dont la concrétisation est aujourd’hui à la portée des chercheurs. C’est tout l’enjeu du projet Laplace, qui serait parmi les premiers centres d’accélération laser-plasma au monde, et dont le financement est actuellement discuté dans le cadre du plan de relance de l’économie.

En 2004, trois équipes à travers le monde, une britannique (Imperial College), une américaine (Berkeley) et celle du LOA (unité mixte de recherche CNRS – ENSTA Paris – École polytechnique), démontrèrent qu’en faisant interagir un plasma (état de la matière où les atomes ont perdu leurs électrons et sont devenus ionisés) avec des lasers, il était possible d’accélérer des électrons à une vitesse proche de celle de la lumière sur une distance extrêmement courte, de l’ordre du millimètre. Cette fantastique capacité d’accélération dépassait très largement celle des accélérateurs de particules classiques, lesquels demandent encore aujourd’hui plusieurs dizaines de mètres pour parvenir au même résultat.

Après avoir apporté cette preuve de concept, les chercheurs ont pu envisager la réalisation d’accélérateurs de particules beaucoup plus compacts et bien moins coûteux que les installations traditionnelles. Mais les obstacles pour passer de cette première expérience de physique à une source de faisceaux de particules stable et disponible à volonté demeuraient nombreux.

Une technologie à maturité

Quinze ans plus tard, grâce à l’expérience accumulée par les équipes du LOA, les technologies ont suffisamment gagné en maturité pour que soit proposée la création d’un centre d’accélération laser-plasma, Laplace, afin d’une part de mieux comprendre les mécanismes en jeu, mais aussi de développer de nouvelles applications.

Laplace serait constitué de deux plateformes expérimentales, Laplace Haute Énergie (Laplace HE), et Laplace Haute Cadence (Laplace HC). Du côté de la haute énergie, l’objectif est principalement de rester dans la course internationale à la compréhension des interactions laser-plasma en mettant à niveau les installations existantes, notamment par le biais de lasers plus puissants.

Du côté des hautes cadences, il faut de nouveau remonter à l’expérience initiale pour comprendre les enjeux : en 2004, alors que l’objectif était de démontrer le principe de l’accélération par laser, il était parfaitement possible de se contenter d’un tir laser toutes les 10 secondes. Mais si l’on veut réellement créer une source de particules afin de développer des applications, il faut obtenir un faisceau d’électrons quasi continu, et pour cela tirer au moins 1000 fois par seconde. Laplace Haute cadence vise donc à pousser la technologie afin d’obtenir le laser parfait, d’une puissance suffisante pour les applications visées et tirant 1000 fois par seconde.

Des applications à foison

Pour quelles applications ? La plus évidente concerne la radiographie, en particulier dans le domaine du contrôle non destructif. Les paquets de particules fournis par les sources laser-plasma font environ un micron de diamètre. Cette petite taille permet de sonder à haute résolution des pièces mécaniques cruciales pour l’industrie nucléaire ou la sécurité aérienne, les trains d’atterrissage par exemple, et d’y détecter des amorces de fissure de l’ordre de 100 microns, une taille 10 fois inférieure aux limites de détection des équipements actuels. Si l’on y ajoute la haute cadence, ces atouts représentent une avancée industrielle significative permettant de réduire les temps d’imagerie et d’analyse, d’améliorer la qualité d’image et d’élargir le champ des objets contrôlables.

Autre domaine qui tirerait d’énormes avantages de ces sources à haute cadence, celui de l’étude des matériaux innovants. Les impulsions très brèves, de l’ordre de quelques femtosecondes (quelques millionièmes de milliardièmes de seconde) permettent de voir les mouvements des atomes à l’intérieur de la matière, à la manière d’un flash ultra rapide décomposant les différentes étapes d’un mouvement, et ainsi de mieux comprendre les propriétés des matériaux.

Enfin un des domaines d’application qui soulève naturellement beaucoup d’espoirs est celui de la radiothérapie dans le cadre du traitement du cancer. Des résultats préliminaires semblent indiquer que l’envoi d’une dose de rayonnement très forte mais pendant un temps très bref, typiquement ce pour quoi Laplace Haute Cadence est prévu, permettrait de cibler spécifiquement les cellules cancéreuses tout en préservant les cellules saines environnantes. Cependant les mécanismes biologiques à l’œuvre sont encore mal compris et les effets exacts restent à confirmer. Avec sa capacité à montrer ce qui se passe précisément au niveau cellulaire, Laplace serait l’installation parfaite pour mener à bien ces recherches, et permettre, à terme, l’émergence de nouveaux protocoles de traitement de tumeurs cancéreuses.

Par le nombre de domaines de recherche qu’il serait à même de faire progresser à pas de géant, le centre Laplace serait un atout considérable pour la recherche française et permettrait de conforter la place de premier plan qu’elle occupe depuis les années 2000 dans le domaine de l’accélération laser-plasma.

Pour Jérôme Faure, directeur de recherche au Laboratoire d’optique appliquée et responsable du projet, « les équipes du LOA sont très enthousiasmées par Laplace. Faire en sorte que nos recherches aboutissent à la création d’un instrument pouvant servir d’autres communautés scientifiques et être utile à la société, c’est le rêve de tout chercheur. Avec les financements appropriés, nous aurons tout pour le faire devenir réalité. »