Exploration et contrôle ULTRArapide de la dynamique des paquets d'électrons dans les sources de lumière SYNChrotron – ULTRASYNC

L’objectif général du projet est d'observer, de comprendre et de maîtriser l’auto-organisation au sein des paquets d’électrons dans les accélérateurs. Un objectif principal est de maîtriser l’émission d’impulsions géantes de rayonnement synchrotron cohérent (CSR) dans le domaine térahertz qui découle de cette auto-organisation et apparait dans les sources de rayonnement synchrotron. Un nouveau type de source THz pourrait ainsi être proposé. Un autre objectif important est de développer de nouveaux outils d’observation de signaux ultra-rapides, en particulier un “oscilloscope térahertz” à taux de répétition élevé qui est nécessaire, non seulement pour le projet “ULTRASYNC” mais également pour la communauté accélérateur en général. Le projet inclut des études fondamentales, théoriques et expérimentales, dans deux centres de rayonnement synchrotron: Synchrotron SOLEIL (France) et KARA (Allemagne). Un des points forts du consortium réside dans sa composition optimale: D’une part, KIT-LAS (Allemagne) héberge à KARA l’unique expérience au monde dans laquelle on peut “sonder” la forme des paquets d’électrons relativistes dans un anneau de stockage. D’autre part, la collaboration SOLEIL-PhLAM est maintenant leader pour les mesures single-shot ultra-rapide à haut taux de répétition. Des investigations expérimentales et théoriques/numériques seront menées en parallèle, avec pour but de comprendre la dynamique non-linéaire des paquets d’électrons en utilisant des techniques de mesures ultra-rapide (comme le « photonic time-stretch » et l’imagerie temporelle). Les nouvelles connaissances acquises seront utilisées pour tenter de maitriser les instabilités CSR au moyen de deux stratégies ambitieuses : (i) à KARA, nous allons manipuler directement les interactions entre les électrons du paquets au moyen d’une structures permettant d’agir sur le champ électromagnétique, (ii) à SOLEIL, nous allons adapter les méthodes de contrôle du chaos (comme les méthodes de feedback qui ont permis de contrôler des orbites périodiques) afin de réaliser une émission CSR stable dans le domaine THz. Ce projet est interdisciplinaire par nature, car il requiert des connaissances, un savoir faire et des compétences en physique des accélérateurs, dynamique non linéaire (dans les anneaux de stockage, l’émission CSR spontanée provient d’une instabilité), contrôle du chaos, laser et optique non linéaire. Cela sera rendu possible par une interaction étroite entre spécialistes de laser, photonique, dynamique non linéaire (contrôle du chaos) et science des accélérateurs. Une partie du projet comporte un risque élevé, car elle concerne des domaines de recherche largement inexplorés, comme les techniques de détection aux limites, la manipulation non-destructive de particules relativistes et la maîtrise des instabilités ayant une complexité extrême. Ces risques sont toutefois limités par la formation du consortium dont les savoirs faire et compétences sont tout à fait complémentaires. Ce haut niveau de risque est également contrebalancé par un potentiel de rupture phénoménal pour la communauté du rayonnement synchrotron (émission de rayonnement cohérent THz stable et de haute puissance en mode utilisateur). On attend également un fort intérêt de la communauté physique accélérateur pour l’apport en terme de connaissances au sujet des paquets d’électrons et sur les techniques d’acquisition ultra-rapide (oscilloscope THz et imagerie temporelle). Les avancées dans le domaine des techniques d'acquisition ultra-rapide devrait avoir un impact également pour d'autres communautés comme la communauté photonique.