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Guidage de faisceaux d’électrons relativistes par des champs magnétiques forts

Le transport d’énergie dans la matière dense par des faisceaux d’électrons relativistes, générés lors de l’interaction d’impulsions laser intenses avec la matière, est crucial pour les études de la matière dans des conditions extrêmes. Celles-ci sont d’intérêt en planétologie ou en astrophysique, pour la fusion par confinement inertiel, ou pour l’accélération d’ions par laser. Cependant, le couplage en énergie du laser vers la matière est en général affaibli par la large dispersion angulaire des électrons relativistes, intrinsèque à l’interaction laser-plasma.
Un article récent démontre expérimentalement qu’un faisceau d’électrons relativistes transporte efficacement son énergie dans des plasmas denses lors de l’application d’un fort champ magnétique externe. L’article, intitulé “Guiding of relativistic electron beams in dense matter by laser-driven magnetostatic fields” et publié dans la revue Nature Communications le 9 janvier 2018 (DOI : 10.1038/s41467-017-02641-7, http://rdcu.be/EnpO), est le résultat d’une collaboration internationale regroupant des chercheurs du CELIA - Université de Bordeaux-CNRS-CEA, ILE - Université d’Osaka, Université Technique de Madrid, LULI - Ecole Polytechnique-CNRS-CEA-Université Paris-Saclay-UPMC : Sorbonne Universités, Université d’Oxford, Université d’York et l’Université Technique de Darmstadt. 
L’expérience utilise une technique innovante, basée entièrement sur la physique de l’interaction laser-matière et permettant de délivrer des impulsions magnétiques supérieures à 500 T. Cette technique, développée récemment par le même consortium de collaboration, a ici été appliquée avec succès pour confiner radialement la propagation d’un faisceau d’électrons relativistes, améliorant d’un facteur 5 le flux de la densité d’énergie dans la matière. L’efficacité du transport d’énergie est un challenge dans la recherche de pointe sur la matière en conditions similaires à celles trouvés dans les étoiles ou à l’intérieur des planètes, pour contrôler des réactions de fusion thermonucléaires à l’échelle du laboratoire, ou pour l’amélioration des sources de particules énergétiques ou de rayonnement.
D’une façon plus générale, cette expérience est la première à montrer qu’il est possible, dans un temps aussi court que quelques nanosecondes, de produire un champ magnétique fort, de le diffuser sur un échantillon dense, et alors de guider la propagation d’un faisceau intense et relativiste d’électrons à travers le matériau magnétisé. Le succès de cette première expérience ouvre la voie vers des études de la matière magnétisée à haute densité d’énergie. 

Dispositif expérimental pour le transport de faisceaux d’électrons relativistes avec un fort champ magnétique externe et comparaison des résultats obtenus, avec et sans champ magnétique appliqué. Le faisceau d’électrons est généré par un faisceau laser picoseconde intense sur une cible solide de plastique. Une décharge de courant intense est préalablement produite sur la spire par un laser nanoseconde de haute énergie, ce qui engendre un champ magnétique dipolaire orienté selon l’axe de la spire. La propagation du faisceau d’électrons dans la matière est diagnostiquée en imageant le rayonnement de transition cohérent (CTR) émis lorsque les électrons traversent l’interface entre la matière et le vide en face arrière de la cible, de 60 micromètres d’épaisseur. Avec l’application du champ magnétique externe, de 600 T au centre de la spire, l’émission CTR est pincée et significativement plus intense. Ceci correspond à une augmentation d’un facteur 5 sur le flux de densité d’énergie et sur le chauffage induit à l’arrière de la cible. Résultats publiés dans Bailly-Grandvaux et al., Nat. Comm. 9, 102 (2018), DOI : 10.1038/s41467-017-02641-7.