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Le laser percera-t-il les secrets de la physique ?

Dans cette sphère métallique de 10 tonnes se concentre le feu des 176 faisceaux Laser MégaJoule, reproduisant à l’échelle millimétrique les conditions de température et de pression d’une explosion nucléaire... ou du cœur d’une étoile. - MS_CEA

C’est bien connu, les lasers constituent une arme redoutable. Si ce n’est dans les mains de Dark Vador ou Luke Skywalker, en tout cas dans celles des physiciens, désormais munis de « Petal » et « Apollon ». Deux lasers ­surpuissants et made in France qui leur ­permettront, à défaut de sauver la Galaxie, du moins de repousser encore les frontières de la physique. Au Barp, la commune de Gironde où est implanté depuis 1965 le Centre d’études scientifiques et techniques d’Aquitaine (Cesta), l’un des dix sites du CEA, un énorme bâtiment de 300 mètres de long sur 160 de large est récemment sorti de terre. Il abrite une sphère métallique de 10 tonnes vers le centre de laquelle viennent converger 176 faisceaux laser totalisant une énergie de 1,3 million de joules : le Laser MégaJoule (LMJ), utilisé par les militaires pour simuler les essais nucléaires arrêtés depuis 1996.

Sur la bille millimétrique placée au centre de la sphère, se concentre en effet une telle puissance de feu que la température (plusieurs dizaines de millions de degrés) et la pression (des dizaines de millions de fois la pression atmosphérique) avoisinent ­celles atteintes lors de l’explosion d’une bombe H ou au cœur d’une étoile. Dans les deux cas, ces conditions extrêmes permettent la fusion d’un atome de deutérium et un autre de tritium en un atome d’hélium, provoquant une réaction en chaîne et libérant au passage une énorme quantité d’énergie.

Un million de centrales

Les barbelés entourant le site, les sas à ­doubles portes magnétiques et les portables confisqués à l’entrée sont là pour le ­rappeler : n’entre pas qui veut au LMJ, sanctuaire de la Direction des applications ­militaires (DAM) du CEA. Mais, dès l’an prochain, les scientifiques civils pourront se voir ouvrir les portes de cette installation quasiment unique au monde – seul le National Ignition Facility (NIF), basé à Livermore, en Californie, est équivalent. Chaque année, 20 % du temps d’utilisation du LMJ sera dédié à la recherche civile. Surtout, les scientifiques bénéficieront d’un 177e faisceau, encore plus puissant que les 176 autres : Petal (un acronyme pour « PETawatt Aquitaine Laser »), financé par la région.

La puissance d’un laser est calculée en divisant l’énergie véhiculée par le faisceau par son temps d’impulsion. Plus celui-ci est court, plus le laser – à énergie égale – est puissant. L’impulsion des 176 faisceaux du LMJ permettant de reproduire à l’échelle millimétrique les conditions de température et de pression observées lors de l’explosion d’une bombe thermonucléaire est ­relativement « longue » : de l’ordre de la dizaine de nanosecondes. L’impulsion de Petal est 1.000 fois plus brève, de l’ordre de la picoseconde. Ce qui porte sa puissance à des sommets encore inégalés : lors de son premier tir, le 29 mai dernier, Petal a atteint 1,2 pétawatt (1015 watts). « Cela équivaut à la puissance totale d’un million de centrales nucléaires réunies », indique Jean-Luc Miquel, chef du projet Petal. Et ce n’est qu’un début ! « Petal pourra théoriquement ­monter en puissance jusqu’à 7 pétawatts, poursuit-il. Mais cela nécessitera de changer les matériaux constituant les miroirs qui ­servent à guider le laser à travers le vide, afin de les rendre assez résistants pour supporter un tel faisceau. »

Pourquoi cette débauche de watts ? Parce que la nouvelle physique l’exige. Le feu réuni des 176 faisceaux du LMJ proprement dit crée un plasma homogène et ­stable, semblable à celui régnant au cœur des étoiles. Le plasma créé par Petal est un peu différent. Dans un atome, le gros noyau met beaucoup plus de temps à s’échauffer que les petits électrons qui l’entourent. L’impulsion de Petal est si brève que seuls les électrons s’échauffent. « Cela donne naissance à un état de la matière semblable à celui que l’on trouve au cœur des planètes, ce qui nous permettra d’en savoir plus sur le noyau interne de la Terre au sujet duquel les recherches restent très actives », note Thierry ­Massard, directeur scientifique de la DAM.

Plus largement, l’utilisation couplée de Petal et du LMJ permettra de reproduire en laboratoire – et donc d’étudier de près – quantité de phénomènes astrophysiques, tels que les jets stellaires, les accrétions d’étoile ou les explosions de supernova.

Explorer la fusion nucléaire

Autre champ de recherche qui va bénéficier de cette installation : la production d’électricité par fusion nucléaire, ce Graal encore inaccessible qui doterait l’humanité d’une source quasi illimitée d’énergie sans produire de déchets radioactifs, contrairement à ce qui se passe avec la fission des noyaux d’uranium à la base du fonctionnement de nos centrales. Les obstacles techniques sont encore nombreux, mais les projets de recherche ne manquent pas pour tenter de les surmonter un à un. Ce n’est pas un hasard si, sur les 16 propositions reçues à la suite de l’appel à projets lancé en septembre 2014, le comité de sélection de l’Institut Lasers et Plasmas, une structure créée pour encadrer les recherches civiles au LMJ, en a retenu deux concernant la production d’énergie par fusion nucléaire. Les deux autres, sans surprise, ont trait à « l’astro­physique de laboratoire ». Les premières expériences prévues pour ces quatre ­projets auront lieu dès l’an prochain.

Mais Petal n’est pas le seul laser ultra-puissant dont va pouvoir bientôt bénéficier la communauté scientifique. Le 29 septembre dernier a été inauguré à Saclay (Essonne) Apollon, qui a bénéficié de la ­collaboration du CNRS, de l’Ecole poly­technique et du CEA. Ce laser est moins énergétique que Petal (150 joules), mais son impulsion est encore plus brève : de l’ordre de 15 femtosecondes (10-15 seconde), ce qui lui conférera dès sa mise en service l’an prochain une puissance de 5 pétawatts, soit 1/35e de la puissance solaire reçue par la Terre ! Au terme de sa montée en charge, Apollon pourra même flirter avec la barre des 10 pétawatts.

Apollon permettra d’explorer d’autres territoires de la physique que ceux ouverts par Petal. Plus l’impulsion laser est brève, plus on peut observer ce qui se passe dans la matière à de courtes échelles de temps. Une cible solide embrasée par le laser de Saclay générera des faisceaux de rayons X d’une durée encore plus brève que l’impulsion laser elle-même, de l’ordre de l’attoseconde (10-18 seconde). Ce qui est à peu près le temps que met un électron pour faire le tour du noyau. Grâce à cette résolution temporelle inégalée, les utilisateurs d’Apollon pourront donc suivre en quasi-temps réel les mouvements des particules élémentaires, mais aussi l’évolution de structures moléculaires comme les transformations qui ont lieu dans une réaction chimique. De l’infiniment grand à l’infiniment petit, rien ou presque n’échappe à l’œil du laser !

Une nouvelle génération d’accélérateurs ?

Les lasers du type Petal ou Apollon sont-ils l’avenir des accélérateurs de particules traditionnels ? Nombreux sont les physiciens qui le pensent. Le plus puissant accélérateur au monde est aujourd’hui le LHC du CERN, constitué d’un anneau de 27 km de circonférence enfoui à 100 m sous terre et bardé de milliers d’aimants supraconducteurs. Un équipement pharaonique, mais c’est le prix à payer pour pouvoir accélérer — et faire s’entrechoquer — des paquets de particules élémentaires (en l’occurrence, des protons) à une vitesse frôlant celle de la lumière. Or le même résultat peut être obtenu à moindre frais avec un laser suffisamment puissant. Pointé sur une cible solide ou gazeuse, celui-ci peut en effet lui arracher et projeter à grande vitesse des électrons ou des ions. L’énergie cinétique atteinte avec Apollon ou Petal est encore loin d’égaler celle du LHC, mais les lasers n’en sont qu’à leurs débuts, quand les accélérateurs circulaires touchent peut-être à leurs limites.

Le laser, une lumière pas comme les autres

Le laser (acronyme anglais pour « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») a été mis au point dans les années 1950 par le physicien américain Charles Townes.
Son invention prend sa source dans les travaux théoriques d’Einstein sur la nature granulaire de la lumière (constituée de petits paquets d’énergie appelés photons) et l’effet photoélectrique en 1905, ainsi que dans son article de 1917 sur le concept d’émission simultanée.
La particularité de la lumière laser par rapport à la lumière visible est d’être très directionnelle, et d’une couleur unique très pure.
Dans un laser, les photons sont tous identiques et parfaitement superposés. On peut les voir comme les soldats d’un défilé militaire marchant tous au pas cadencé. Les physiciens parlent de photons cohérents.
C’est cette cohérence qui donne au laser ses innombrables applications, des outils de découpe à la chirurgie des yeux, des fibres optiques à la lecture des DVD.

Yann Verdo, Les Echos


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