Miroirs Plasmas 'in-silico': vers l'obtention de sources lumineuses d'intensité extrême et d'accélérateurs de particules compacts – PLASM-ON-CHIP

Avec l’avènement des lasers de puissance de classe PW, capables de délivrer des intensités lumineuses de 10^22W.cm-2 pour lesquelles la matière devient plasma, la physique des Ultra-Hautes Intensités (UHI) vise maintenant à résoudre deux challenges majeurs : peut-on atteindre des intensités lumineuses extrêmes, approchant la limite de Schwinger (1029 W.cm-2), au-delà de laquelle la lumière s’auto-focalise dans le vide et des paires électrons/positrons sont produites ? Peut-on produire des accélérateurs compacts de particules délivrant des faisceaux d’électrons de haute charge à haute énérgie, qui seront cruciaux pour repousser les limites de la Science des hautes énergies ? Résoudre ces deux grandes questions à l’aide des lasers de puissance PW en construction requiert une rupture conceptuelle que je propose de développer au cours de ce projet.

En particulier, je propose de démontrer que les ‘miroirs plasma relativistes’, produits lorsqu’un laser femtoseconde (1fs=10^-15s) de puissance frappe une cible solide, pourrait fournir une approche simple et élégante permettant de résoudre ces deux grands challenges de la physique UHI. Lors de sa réflexion sur le miroir plasma, le laser peut générer des paquets d’électrons relativistes de haute charge ainsi que des faisceaux harmoniques de courtes longueurs d’onde très intenses. Pourrait-on utiliser ces miroirs plasmas pour focaliser fortement ces faisceaux harmoniques et approcher la limite de Schwinger ? Pourrait-on utiliser les miroirs plasmas comme des injecteurs de très haute charge dans un laser PW capable de fournir des gradients accélérateurs de 100TV.m-1 ?

Dans le projet PLASM-ON-CHIP, je propose de répondre à ces deux interrogations ‘in silico’, à l’aide de simulations numériques massivement parallèles nécessitant les plus gros calculateurs disponibles à l’heure actuelle. Dans cette optique, je ferai usage de nos récents développements numériques et d’optimisation de la méthode Particle-In-Cell (PIC) qui rendent possible, pour la première fois, une simulation 3D réaliste de l’interaction laser-miroir plasma à haute intensité sur des machines pre-exascale.