De manière analogue aux accélérateurs laser WakeField (LWFA), les ondes de densité électronique dans le plasma peuvent également être entraînées par le passage d’un faisceau relativiste de particules chargées, le «conducteur». Pour les conducteurs de faisceaux d’électrons très denses, l’onde de plasma prend la forme d’une cavité ionique (voir figure), dans le régime dit de soufflage. Cette cavité ionique a des propriétés idéales pour accélérer le faisceau d’électrons principal, le faisceau d’électrons «traînant», et la vitesse de phase proche de la vitesse de la lumière de l’onde de plasma empêche le déphasage entre le faisceau de fuite et l’onde de plasma et permet donc une accélération sur distances plus longues par rapport à LWFA. Le groupe UPX explore la physique des PWFA et l’interaction intense faisceau-plasma en utilisant à la fois des accélérateurs et des installations laser:

– Basé sur des expériences menées sur l’accélérateur FACET-II à Stanford avec une collaboration internationale (SLAC, UCLA, CU Boulder, U. Oslo, Stony Brook U., MPIK, CEA, LOA), le groupe vise à comprendre la physique de interaction faisceau-plasma et lors de la réalisation expérimentale d’un module accélérateur de plasma qui serait capable d’accélérer un groupe distinct de particules, avec un gain d’énergie élevé, une faible diffusion d’énergie, un rendement énergétique élevé et une émittance préservée. Dans cette perspective, le rayonnement bétatron émis par le faisceau de fuite peut être utilisé pour fournir des informations sur la dynamique du faisceau dans le plasma et les conditions d’adaptation, et pour trouver les conditions optimales de préservation de l’émittance dans les PWFA. Cette recherche est menée dans le cadre de l’expérience E-300 au SLAC.

Lors de l’interaction d’un faisceau d’électrons relativiste dense et d’un plasma haute densité, dans des conditions appropriées, l’instabilité de filamentation actuelle et l’instabilité oblique peuvent conduire à la croissance de champs électromagnétiques puissants et à l’émission de rayons gamma brillants. Comprendre l’interaction et l’évolution non linéaire des instabilités concurrentes dans diverses conditions physiques est d’un intérêt fondamental pour l’astrophysique. Cette recherche est menée dans le cadre de l’expérience E-305.

– Les PWFA peuvent également être étudiés à l’aide de systèmes laser à haute puissance comme la Salle Jaune en mettant en scène LWFA et PWFA. De tels accélérateurs de champ de sillage hybrides, où un faisceau d’électrons LWFA pilote une section PWFA, ouvrent la possibilité d’étudier la physique PWFA en utilisant des installations laser compactes internes et de tirer parti des avantages de PWFA, par exemple pour la génération de faisceaux de particules ultra-brillants. La flexibilité de la stadification LWFA et PWFA permet diverses techniques d’injection de faisceau de fuite contrôlé, y compris des méthodes internes et externes. Cette recherche sur l’hybride LWFA-PWFA est menée en collaboration avec HZDR, LMU et DESY en Allemagne et l’Université de Strathclyde au Royaume-Uni, avec notamment la première démonstration expérimentale de l’accélération d’un faisceau d’électrons dans un tel accélérateur de champ de sillage hybride.