Il n’existe aux États-Unis que deux accélérateurs capables de produire des faisceaux de particules de 10 milliards d’électrons-volts, et chacun mesure environ 3 kilomètres de long. "Nous pouvons désormais atteindre ce niveau d'énergie dans un rayon de 10 centimètres (4 pouces)", a déclaré le PDG de TAU Systems.

"Un accélérateur aussi compact et avancé nécessite également un énorme laser pour fonctionner - dans ce cas, le laser Texas Petawatt, qui est installé sur une scène de 10 mètres de long au Centre scientifique à haute densité d'énergie de l'Université du Texas à Austin", a déclaré le PDG de TAU Systems.

En tant que l'un des lasers les plus puissants au monde, ce « mastodonte » peut émettre un faisceau laser super puissant avec environ 1 000 fois l'énergie de la capacité installée aux États-Unis, mais il ne peut être émis qu'une fois par heure et ne peut durer que 150 femtosecondes, soit un milliardième du temps de décharge de la foudre.

L'appareil de TAU mesure moins de 20 mètres de long et émet des faisceaux allant jusqu'à 10 GeV. Il utilise une version améliorée de la technologie d'accélération Ruofei décrite pour la première fois en 1979 et actuellement utilisée par de nombreux programmes d'accélération.

Les accélérateurs de particules ordinaires sont en réalité une série d’anneaux qui attirent les électrons lorsqu’une tension positive leur est appliquée. Les anneaux sont alimentés à tour de rôle, attirant les électrons à travers le tunnel à des vitesses croissantes, chaque anneau se fermant avant l'arrivée des électrons.

Appareil de diagnostic électronique comprenant une chambre à air, un aimant dipolaire et deux écrans à scintillation DRZ1 et DRZ2. L'ensemble du dispositif est placé dans une chambre à vide. Les faisceaux laser et électroniques se déplacent de droite à gauche.

Les accélérateurs laser transforment plus ou moins les impulsions lumineuses elles-mêmes en électro-aimants à la vitesse de la lumière, permettant aux particules de les suivre, collectant des vitesses et une énergie extraordinaires sur des distances extrêmement courtes.

L'appareil de TAU utilise une chambre remplie d'hélium gazeux. Lorsqu'un laser Petawatt émet une impulsion de lumière à travers ces gaz, l'énorme énergie de l'impulsion ionise le gaz en un plasma. Lorsqu'elle voyage à travers le plasma, l'impulsion laisse un sillage derrière elle, un peu comme celui qu'un navire laisse derrière lui lorsqu'il voyage dans l'eau, sauf que dans ce cas, elle crée un sillage extrêmement puissant de fluctuations de charge.

Si un électron est injecté au bon moment, ces charges géantes en mouvement tirent et poussent derrière l’impulsion lumineuse, drainant l’énergie (mais pas la vitesse) de l’impulsion laser d’origine et la transférant à l’électron accélérateur, le poussant jusqu’à « une grande fraction de la vitesse de la lumière » sur une courte distance.

L'avancée clé de TAU dans ce dispositif est l'utilisation d'un laser d'ablation auxiliaire qui déclenche des trains d'impulsions précisément chronométrés sur une plaque métallique dans une chambre à gaz, injectant un flux de nanoparticules métalliques dans la chambre à gaz pour augmenter l'énergie des électrons lorsqu'ils suivent le train d'impulsions laser.

Le laser de 532 nm traverse la fenêtre supérieure et se concentre sur la surface de la plaque métallique, produisant des nanoparticules par ablation laser.

"Il est difficile d'entrer dans une grosse vague sans se faire écraser, alors les surfeurs se font entraîner dans la vague par des jet skis", a déclaré Bjorn "Manuel" Hegelich, professeur agrégé de physique à l'Université du Texas à Austin et PDG de TAU Systems. "L'équivalent d'un jet ski dans notre accélérateur, ce sont des nanoparticules qui libèrent des électrons au bon moment et au bon moment, donc elles sont dans la vague." Nous pouvons introduire plus d'électrons dans l'onde quand et où nous le souhaitons, plutôt que d'être statistiquement distribués tout au long de l'interaction, et c'est le secret. "

Heglich et son équipe développent leur propre système laser de la taille d'un ordinateur de bureau, qui, selon eux, rendra l'ensemble du système plus compact et se déclenchera des milliers de fois par seconde au lieu d'une fois par heure.

Alors, à quoi servent les très petits accélérateurs de particules à haute énergie ? Peut-être utilisé pour piloter des lasers à électrons libres à rayons X, il pourrait potentiellement capturer des vidéos au ralenti à l’échelle atomique ou moléculaire. Il pourrait également être utilisé pour tester si les composants électroniques utilisés dans les vols spatiaux peuvent résister aux rayonnements, réaliser une imagerie tridimensionnelle de la structure interne des puces semi-conductrices et potentiellement développer de nouveaux traitements contre le cancer et des techniques d'imagerie médicale avancées.

Le document de recherche de l'équipe a été publié dans la revue Matter and Radiation at Extreme.