Une instabilité plasma sondée par des électrons accélérés par laser-plasma

L’instabilité de filamentation de courant de type Weibel (CFI) a été largement étudiée au cours des dernières décennies en raison de son importance dans une variété croissante d’environnements plasma. Induite par des anisotropies de température ou des dérives relatives entre les constituants du plasma, elle donne naissance à des filaments de courant entourés de champs magnétiques toroïdaux. On pense généralement que cette instabilité est à la base de la physique des flux relativistes dans les objets astrophysiques puissants (par exemple les sursauts gamma, les vents de pulsar, les noyaux galactiques actifs), en particulier en tant que source des ondes de choc sans collision responsables de la génération de particules non thermiques de haute énergie ainsi que des champs magnétiques cosmologiques dans les scénarios de reconnexion.

En 2020, des membres du groupe UPX, en collaboration avec d’autres laboratoires européens, ont montré que la dynamique ultrarapide de cette instabilité peut être explorée dans le contexte d’interactions laser-solide relativistes par la déflectométrie de faisceaux d’électrons hautement relativistes à faible emittance provenant d’un accélérateur laser-plasma (LPA). Dans cette expérience, réalisée dans le laboratoire « Salle Jaune » du LOA, nous avons mesuré la génération à l’échelle femtoseconde de fortes fluctuations du champ magnétique, avec un champ B intégré de 2,70 ± 0,39 kT μm. Des simulations « particle-in-cell » 3D entièrement relativistes montrent que ces fluctuations proviennent de la CFI, se produisant à l’échelle sub-micron autour de la surface de la cible irradiée, et qu’elles atteignent des amplitudes suffisamment fortes pour élargir la distribution angulaire du faisceau d’électrons de la sonde quelques dizaines de femtosecondes après le maximum de l’impulsion laser. Ces résultats ouvrent une branche d’expériences de physique qui étudie la dynamique femtoseconde des instabilités des plasmas pilotés par laser au moyen de faisceaux d’électrons synchronisés et accélérés par le champ de sillage d’un laser dans un plasma.