L'hydrogène glacé comme cible
Une nouvelle méthode améliore l'accélération des protons grâce à un laser de haute puissance
Faire accélérer les protons grâce à de fortes impulsions laser - ce concept encore jeune promet de nombreux avantages par rapport aux accélérateurs conventionnels. Par exemple, il semble possible de construire des installations beaucoup plus compactes. Les prototypes actuels, dans lesquels les impulsions laser sont tirées sur des feuilles métalliques ultrafines, présentent toutefois des faiblesses, notamment en ce qui concerne la fréquence à laquelle ils peuvent accélérer les protons. Au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un groupe de travail international a testé une nouvelle technique : Dans cette approche, l'hydrogène congelé sert de "cible" pour les impulsions laser. À l'avenir, cette méthode pourrait servir de base à des concepts avancés de thérapie tumorale, comme le décrit l'équipe dans la revue Nature Communications.
Schéma du dispositif expérimental : En envoyant une impulsion intense (rouge) du laser haute puissance HZDR DRACO sur un jet d'hydrogène congelé qui se renouvelle en permanence (bleu), les chercheurs ont pu accélérer massivement des protons sur une distance extrêmement courte (orange). Ils ont enregistré le processus à l'aide d'une impulsion laser optique synchronisée (vert).
SLAC National Accelerator Laboratory / G. Stewart
Les accélérateurs de protons conventionnels, tels que le Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève, sont basés sur l'accélération de particules par le biais d'ondes radiofréquences puissantes. Dans le cas de l'accélération par laser, en revanche, des impulsions lumineuses ultra-brillantes donnent un coup de fouet aux particules : Des impulsions laser extrêmement courtes et puissantes sont envoyées sur des feuilles de métal très fines. La lumière chauffe le matériau à tel point que les électrons sont éjectés en grand nombre, tandis que les noyaux atomiques lourds restent en place. Les électrons étant chargés négativement et les noyaux atomiques positivement, un champ électrique puissant se forme entre eux.
Ce champ peut alors lancer une impulsion de protons avec une force énorme sur une distance de quelques micromètres seulement, les amenant ainsi à des énergies pour lesquelles des systèmes beaucoup plus longs seraient nécessaires avec la technologie des accélérateurs conventionnels. Autre avantage : "Avec l'accélération laser, nous pouvons concentrer un très grand nombre de particules dans une seule grappe de protons", explique le physicien Karl Zeil, de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR. "Cela pourrait être intéressant pour la radiothérapie des tumeurs.
Cependant, la méthode précédente consistant à envoyer des impulsions laser sur des feuilles métalliques présente des inconvénients. Premièrement, il est difficile de générer plusieurs impulsions de protons par seconde - la feuille est déjà détruite par un seul tir laser et doit donc être remplacée à plusieurs reprises. Deuxièmement, le processus d'accélération est assez complexe et relativement difficile à contrôler. La raison en est la suivante : Les protons à accélérer proviennent d'hydrocarbures qui se sont accumulés sur les feuilles métalliques sous la forme d'une couche de contaminants - ce qui n'est pas vraiment idéal pour un contrôle parfait de l'expérience.
Un filament au lieu d'une feuille
C'est pourquoi l'équipe de recherche germano-américaine de Karl Zeil a imaginé une alternative : "Au lieu d'une feuille métallique, nous utilisons un fin jet d'hydrogène fortement refroidi", décrit le chercheur. "Ce jet sert de cible à nos impulsions laser de haute intensité. Concrètement, les experts refroidissent l'hydrogène gazeux dans un bloc de cuivre jusqu'à ce qu'il devienne liquide. L'hydrogène liquide s'écoule ensuite à travers une buse dans une chambre à vide. Il se refroidit alors davantage et se solidifie en un filament d'une épaisseur de l'ordre du micromètre : la cible des impulsions laser. Et comme le filament d'hydrogène se renouvelle, le laser a une nouvelle cible intacte dans sa ligne de mire à chaque tir.
Au lieu de simplement chauffer le matériau, les impulsions laser utilisent la pression de radiation pour pousser les électrons hors de l'hydrogène et créer les champs électriques extrêmes nécessaires à l'accélération des protons. L'équipe a pu optimiser le processus en envoyant une impulsion lumineuse courte et plus faible avant l'impulsion laser principale. Cela a permis de préchauffer le filament d'hydrogène congelé, ce qui a entraîné son expansion et l'augmentation de sa section transversale, qui est passée de cinq micromètres à plusieurs fois cette taille. Cela a permis d'augmenter la distance d'accélération et d'optimiser le processus.
Perspectives pour la thérapie des tumeurs
Le résultat : "Nous avons pu porter les protons à une énergie de 80 MeV", rapporte Karl Zeil. "C'est proche du record précédent pour l'accélération de protons par laser. Mais contrairement aux installations précédentes, notre technique a le potentiel de générer plusieurs paquets de protons par seconde". En outre, le processus d'accélération est relativement facile à simuler pour les cibles d'hydrogène à l'aide de l'informatique de haute performance - une tâche qui a également impliqué le Centre pour la compréhension des systèmes avancés (CASUS) du HZDR. "Cela nous permet de mieux comprendre et d'optimiser l'interaction entre le laser et la matière", a déclaré M. Zeil. Les experts souhaitent à présent utiliser des algorithmes d'intelligence artificielle pour augmenter le "taux de réussite" entre les impulsions laser et le jet d'hydrogène gelé.
Cette technologie pourrait être intéressante pour un futur type de radiothérapie. Aujourd'hui déjà, certaines tumeurs sont irradiées avec succès à l'aide de protons. L'accélération laser pourrait augmenter la dose et donc raccourcir le temps d'irradiation. Et, comme le suggère une étude du HZDR, cela permettrait de mieux protéger les tissus sains entourant la tumeur.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
M. Rehwald, S. Assenbaum, C. Bernert, F. Brack, M. Bussmann, T. Cowan, C. Curry, F. Fiuza, M. Garten, L. Gaus, M. Gauthier, S. Göde, I. Göthel, S. Glenzer, L. Huang, A. Huebl, J. Kim, T. Kluge, S. Kraft, F. Kroll, J. Metzkes-Ng, et al.: "Ultra-short pulse laser acceleration of protons to 80 MeV from cryogenic hydrogen jets tailored to near-critical density", Nature Communications, 2023.
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