Autofocalisation et rayons gamma de haute densité générés lors de la collision d’un faisceau d’électrons avec des feuilles d’aluminium

Quand un faisceau d’électrons de dimension micrométrique entre en collision avec un plasma de densité solide, des champs électromagnétiques associés au champ proche du rayonnement de transition sont générés proche de la surface, et leur amplitude est suffisamment élevée pour focaliser le faisceau et induire l’émission de rayons gamma par le faisceau d’électrons de haute énergie [1, 2]. Cet effet peut être considérablement augmenté dans le cas d’une collision avec une séquence de feuilles d’aluminium, permettant de focaliser très fortement le faisceau d’électrons et de générer un rayonnement gamma de façon extrêmement efficace (voir figure ci-dessous), et potentiellement d’atteindre des densités de l’ordre du solide pour les faisceaux électrons et gamma et d’entrer dans le régime d’interaction de la QED en champ fort [1]. Ce nouveau concept, publié dans Phys. Rev. Lett. [1] et développé avec le MPIK, le CEA et d’autres collaborateurs, fait aussi l’objet d’une nouvelle expérience dirigée par Matteo Tamburini (MPIK) et Sébastien Corde (LOA), récemment proposée et acceptée par l’accélérateur FACET-II du SLAC. Cette nouvelle expérience, E-332, devrait prendre ces premières mesures à partir de mi-2021. Avec des paramètres à portée de cet accélérateur, l’énergie du faisceau de rayonnement gamma pourrait ainsi dépasser 10% de l’énergie total du faisceau d’électrons (voir figure ci-dessous).

[1] A. Sampath et al., Extremely Dense Gamma-Ray Pulses in Electron Beam-Multifoil Collisions, Phys. Rev. Lett. 126, 064801 (2021).

[2] S. Corde et al., Beam focusing by near-field transition radiation, Research Report hal-02937777v2 (2020), https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02937777v2.

Figure: (en haut) Schéma du concept d’autofocalisation et de génération de rayons gamma dans la collision d’un faisceau d’électrons avec des feuilles d’aluminium. (en bas) Résultats d’une simulation PIC CALDER-circ modélisant un faisceau d’électrons de 10 GeV, 2 nC, avec des dimensions de 1 micron longitudinalement et 5 microns transversalement, et entrant en collision avec une 1ère feuille (ligne pointillé rouge) suivi par une séquence de feuilles (zone rouge). L’espace des phases du faisceau d’électrons après la 1ère feuille (en bas à gauche) montre l’effet focalisant induit par une collision, et l’évolution de la taille transverse du faisceau d’électrons et de l’énergie rayonnée (en bas à droite) illustre l’autofocalisation et la génération très efficace de rayons gamma. Figures reprises des Refs [1] et [2].