Fusion nucléaire et gravitation: pourquoi nous avons besoin de lasers superpuissants

Qu'apprendrons-nous sur le fonctionnement du monde physique qui nous entoure quand ces lasers seront mis au service des expériences scientifiques?

Depuis la création des premières sources de rayonnement cohérent au milieu des années 1950 par Nikolaï Bassov et Alexandre Prokhorov (en URSS) et par Charles Townes (aux USA), la communauté scientifique a immédiatement compris leur importance pour la physique fondamentale et les technologies.

La première génération de lasers était déjà capable de créer des champs magnétiques d'une puissance qui n'avait jamais pu être atteinte auparavant en laboratoire stationnaire. Certes, un rayonnement électromagnétique d'une intensité comparable ou même supérieure survient lors de certains phénomènes naturels, essentiellement cosmiques, mais il était impossible de les utiliser pour une expérience en laboratoire. C'est pourquoi les physiciens ont vu dans les appareils laser, au début très simples et peu puissants, un nouvel outil très prometteur pour les recherches.

Dans les années 1960-1970 déjà ont été proposés de multiples projets d'utilisation des systèmes laser dans la physique fondamentale. Parmi les plus connus, on peut citer la fusion nucléaire laser et la création d'antimatière à partir du vide à l'aide d'un puissant champ laser. Cependant, l'un et l'autre nécessitaient un faisceau laser ultrapuissant, qui semblait inatteignable à l'époque.

Depuis, le développement de la technologie laser a progressé constamment vers l'augmentation de la puissance maximale des impulsions laser et l'amélioration de la qualité du faisceau laser. Les caractéristiques des dispositifs laser, y compris leur coût et la puissance émise en équivalent Watt d se sont améliorées à tel point que les lasers se sont transformés d'appareils uniques en objets industriels relativement bon marché.

Ils sont exploités dans la chirurgie laser et le diagnostic, la soudure laser et la découpe des matériaux, la métrologie, la chimie laser, et même dans certaines applications militaires — le spectre de leur usage est immense.

Ils sont même devenus l'un des éléments de base de pratiquement tout laboratoire physique.

Dans les entrailles de la Terre et du cosmos

Aujourd'hui, les lasers sont utilisés pour réaliser des mesures ultraprécises des distances microscopiques et des intervalles temporaires. En 2015, cela a permis aux collaborations LIGO et VIRGO de résoudre l'un des problèmes les plus complexes de la physique fondamentale depuis 100 ans: "attraper" les ondes gravitationnelles. Deux ans plus tard, les auteurs de cette découverte ont reçu le prix Nobel de physique.

"Les interféromètres laser sont des éléments centraux du dispositif LIGO, où a été réalisée une mesure incroyablement difficile de la métrique de l'espace provoquée par le passage d'une onde gravitationnelle engendrée par le choc entre deux trous noirs", déclare Sergueï Poproujenko, professeur de la chaire de physique nucléaire théorique à l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI (Institut d'ingénierie physique de Moscou).

"Le développement de la science des lasers permettra, à terme, de créer une horloge dotée d'une précision à la microseconde près durant toute la vie de l'univers et réagissant au changement gravitationnel", explique Andreï Kouznetsov, directeur par intérim de l'Institut des technologies laser et plasma du MEPhI.

"Qu'est-ce que cela apporte? Il s'avère qu'en apprenant à mesurer le temps avec une telle précision nous pourrons mesurer les changements locaux du champ gravitationnel de la Terre, ce qui permettra, par exemple, de trouver des gisements de matières premières. Le champ gravitationnel dépend de la densité et par conséquent, si la densité de la roche change, c'est qu'à cet endroit se trouvent un minerai lourd ou des couches pétrolières, ce qui se reflète sur le champ gravitationnel. De cette manière, une telle horloge permettra de découvrir des réserves d'hydrocarbures — de pétrole, de gaz, de métaux lourds, d'éléments des terres rares — mais aussi de créer des cartes gravitationnelles pour la navigation des sous-marins", explique l'expert.

Cette horloge laser pourra également servir la science fondamentale. Une hypothèse admet que sous l'effet de l'expansion de l'Univers, les constantes fondamentales évoluent — la constante de Planck, la masse et la charge de l'électron. Pour le prouver, il faut soit des mesures de temps très longues, soit très précises — qu'une horloge laser très stable permettrait de réaliser.

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"Les chercheurs du MEPhI ont obtenu cette année un résultat qui permet d'espérer la réalisation de telles expériences fondamentales. C'est un travail de très grande classe que nous avons réalisé en collaboration avec l'Institut de physique Lebedev affilié à l'Académie des sciences de Russie", déclare Andreï Kouznetsov.

La plupart des expériences en physique laser nécessitent une grande puissance et une forte intensité du faisceau laser. Les meilleurs outils pour une compression non explosive de la substance sont les faisceaux laser de puissance térawatt (1TW=1012 W) et pétawatt (1PW=1015 W).

"Ce sont des valeurs immenses, quand on sait que la puissance du plus grand barrage du monde avoisine 0,05 TW. Grâce à ces faisceaux, il est possible d'obtenir et d'examiner en laboratoire une substance sous des pressions et des températures aussi élevées que dans le sous-sol des étoiles. C'est paradoxal, mais les lasers, en plus du télescope, deviennent l'un des principaux outils d'étude de l'espace lointain", explique Sergueï Poproujenko.

Réchauffer et retenir

Une compression encore plus dense de la substance par un faisceau laser permettra de le réchauffer jusqu'à des températures de centaines de millions de degrés, sous lesquelles est possible l'apparition d'une réaction contrôlée de fusion nucléaire.

"La maîtrise de l'énergie thermonucléaire est une tâche sur laquelle l'humanité planche depuis plus de 60 ans. L'humanité a appris à utiliser dans l'histoire récente l'énergie thermonucléaire dans une bombe, mais jusqu'à présent on ne parvient pas à l'utiliser à des fins pacifiques faute d'avoir réglé le problème de la rétention et du recyclage de l'énergie colossale libérée lors d'une réaction thermonucléaire", déclare Andreï Kouznetsov.

Pour une fusion thermonucléaire il faut rapprocher deux noyaux légers pour en obtenir un plus lourd. Pour surmonter la barrière coulombienne (les noyaux positivement chargés se repoussent) il faut communiquer aux noyaux une énergie cinétique correspondant à la température d'une substance de plus de cent millions de degrés (ces températures sont atteintes dans l'Univers uniquement dans le noyau des étoiles), ce qui constitue un grand problème scientifique et technique. On cherche actuellement à le régler par deux moyens.

Le premier passe par le réchauffement et la rétention magnétique du plasma chaud dans un tokamak. Le second suppose que le dispositif laser, avec une énergie d'impulsion supérieure à 1 mégajoule, devrait, en quelques nanosecondes, placer l'énergie dans un carburant à base d'isotopes d'hydrogène (deutérium et tritium) d'un volume d'environ quelques millimètres cubes. Le carburant doit être comprimé tout en se réchauffant jusqu'à la température nécessaire pour une fusion nucléaire, puis se consumer entièrement et émettre l'énergie sous la forme de quanta gamma et de particules alpha.

"Quels sont les avantages des réacteurs thermonucléaires par rapport à leurs analogues nucléaires? Contrairement à l'uranium, les réserves de deutérium suffiront à l'humanité pour des millions d'années, en d'autres termes nous obtenons une réserve infinie d'énergie. D'un autre côté, l'énergie thermonucléaire permettra de créer de nouveaux moteurs et de réaliser le rêve de l'humanité: transporter les hommes non seulement sur Mars, mais également dans d'autres recoins du système solaire et au-delà", précise Andreï Kouznetsov.

Où les lois de la physique cessent de s'appliquer

Les lasers peuvent accélérer les particules chargées tout comme les accélérateurs linéaires, les synchrotrons et les cyclotrons. Pour cela, ils doivent atteindre non seulement une énergie élevée dans l'impulsion, mais également une forte intensité — l'impulsion doit être la plus brève possible et très focalisée.

Parmi les avantages de l'accélération laser des particules chargées, on peut citer la possibilité d'accélérer les électrons et les ions à la fois, les dimensions bien plus réduites et le coût des accélérateurs laser par rapport aux accélérateurs ordinaires, ainsi que la possibilité d'atteindre des accélérations record et d'interagir avec les couches denses du plasma.

"Il faut surtout noter que la multiplication par 3 ou 4 de l'intensité maximale du rayonnement laser permettrait de créer des conditions tout à fait uniques. A l'intérieur sera possible la formation d'un plasma électron-photon-positron très dense — objet qui aurait pu exister lors de la naissance de l'Univers. Dans un tel plasma, le rayonnement électromagnétique est si fortement lié à la substance que les lois traditionnelles de l'électrodynamique, notamment quantique, ne s'appliquent plus. Les propriétés d'un tel objet sont complètement inconnues pour l'instant — c'est un rare exemple de physique réellement fondamentale!", souligne Sergueï Poproujenko.

La construction de dispositifs laser assurant une si forte intensité de rayonnement est l'affaire d'un avenir assez proche. Les intensités nécessaires pour fabriquer le plasma électron-positron-photon à partir du vide pourraient faire leur apparition d'ici 10-20 ans. Cependant, les travaux de recherche sur le comportement de la substance et du vide à de très hautes intensités sont menés dès à présent.

Plusieurs effets liés à l'influence des forces de frottement de radiation (y compris le nouveau mécanisme d'accélération des protons prédit par les physiciens-théoriciens du MEPhI) pourront être observés prochainement: cela nécessite des champs laser avec une intensité de 1023-1024W/cm2. De telles intensités ne sont pas accessibles à l'heure actuelle, mais elles pourraient être obtenues dans les nouveaux dispositifs laser construits actuellement en République tchèque, en France, en Chine et dans d'autres pays, et leur énergie dépassera les appareils actuels de 1 à 2 fois. Ils devraient être mis en service d'ici quelques années.

Le MEPhI coopère activement avec de nombreux laboratoires laser, y compris le centre de recherche ELI Beamlines à Prague où l'assemblage de l'un des plus puissants lasers est en cours. Plusieurs diplômés et collaborateurs de l'Institut des technologies laser et plasma travaillent au ELI Beamlines et se rendent au MEPhI pour organiser des expériences.