À l’Université du Michigan, une machine baptisée ZEUS (Zettawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System) vient de tirer pour la première fois. Le nom fait évidemment référence au dieu grec du tonnerre et des orages : difficile de trouver plus approprié pour un laser conçu pour atteindre des puissances rarement approchées sur Terre. Après quatre années de mise au point, ce dispositif vient enfin de montrer ce qu’il avait vraiment sous le capot.
ZEUS est le laser le plus puissant installé sur le sol américain, et il y a quelques jours, il a délivré une impulsion équivalente à 2 pétawatts, soit 2×1015 watts (un 2 suivi de 15 zéros). Pour vous donner un ordre d’idée, cette puissance instantanée est 2×106 supérieure à celle produite par une grande centrale nucléaire, et équivaut à 100 fois la production totale électrique de la Terre à un instant donné.
Tonnerre de ZEUS !
Cela s’est passé la semaine dernière dans un hall technique de l’université américaine. Pour atteindre un tel niveau de puissance, le faisceau laser a été dirigé vers une petite cellule contenant de l’hélium, un gaz inerte (qui ne réagit pas chimiquement avec d’autres substances, ou très peu).
Sous l’effet de l’intensité lumineuse extrême, les atomes d’hélium ont été brutalement ionisés : leurs électrons ont été arrachés, laissant derrière eux des noyaux chargés positivement. Ce processus a transformé le gaz en un plasma, un état de la matière dans lequel les électrons libres et les ions coexistent en mouvement, et qui réagit de façon très particulière aux champs électromagnétiques.
Dans un plasma, la lumière ne se déplace pas aussi vite que dans le vide. Les électrons libres peuvent donc suivre de très près l’impulsion laser, et même rester suffisamment proches pour continuer d’être accélérés par son champ électromagnétique. On parle alors d’accélération par sillage, un phénomène pendant lequel le faisceau laser creuse littéralement une « vague » dans le plasma, et les électrons surfent sur cette dernière pour gagner de plus en plus de vitesse.
Aujourd’hui, l’accélération par sillage est d’ailleurs l’une des pistes les plus étudiées pour remplacer, à long terme, les accélérateurs de particules comme le LHC (Large Hadron Collider). Alors que ce dernier mesure 27 km, cette technique permet d’atteindre des niveaux d’énergie comparables sur quelques mètres seulement.
Bien sûr, ZEUS ne peut pas maintenir ce niveau d’énergie très longtemps, c’est physiquement impossible. Son tir du 17 mai n’a duré que 25 femtosecondes (0,000000000000025 seconde). L’UM ZEUS Laser Facility a partagé une vidéo (voir ci-dessous) d’animation pour montrer comment fonctionne exactement le dispositif.
Des trous noirs aux tissus humains : que peut faire ZEUS ?
ZEUS prend la relève d’un précédent laser développé dans le même laboratoire, HERCULES, dont la puissance maximale atteignait « seulement » 300 térawatts. Il n’a pas été fabriqué simplement pour augmenter la puissance de son ainé, mais également pour élargir le champ des expériences que les scientifiques pourront mener avec lui.
L’une des prochaines étapes consistera à diriger un second faisceau laser dans le sens opposé aux électrons accélérés lors de la première phase. Ce type de collision permet de concentrer une quantité d’énergie telle qu’elle équivaut, d’un point de vue physique, à celle d’un laser de puissance zettawatt, soit un milliard de milliards de watts. C’est d’ailleurs de là qu’il tire son nom : Zettawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System.
L’objectif est de reproduire, à petite échelle, certains effets observés dans les jets de particules issus des trous noirs ou dans les sursauts gamma d’origine cosmique. Des phénomènes produisant de folles quantités d’énergie lorsque, par exemple, des étoiles massives s’effondrent ou lorsque des astres compacts fusionnent entre eux.
ZEUS n’a coûté que 16 millions de dollars pour être construits, un montant bien inférieur que celui nécessaire pour construire des accélérateurs de particules. Le LHC, lui, a coûté environ 4,6 milliards de dollars ( c’est une estimation finale, qui ne prend pas en compte les mises à niveau successives). En plus d’être bien plus compact, il est plus économique : deux avantages de poids en recherche théorique.
« La recherche fondamentale conduite grâce à ZEUS a de nombreuses applications possibles, notamment pour l’imagerie des tissus mous ou les technologies utilisées en cancérologie », indique Vyacheslav Lukin, responsable du programme à la National Science Foundation.
En effet, comme ZEUS peut générer des faisceaux d’électrons ou de rayons X très intenses sur de très courtes durées, la médecine pourrait profiter de cette capacité. Grâce à lui, on pourrait améliorer la résolution des techniques d’imagerie médicale ou accélérer le développement de traitements ciblés par irradiation ultrarapide. Détruire des cellules malades (comme des cellules cancéreuses) avec une précision démoniaque, créer des micro-lésions pour certaines chirurgies délicates (ophtalmologie, neurochirurgie, etc.) : là est aussi le potentiel de ce laser.
Après toutes ces années d’édification (le premier jalon du projet date de 2019), ZEUS est officiellement rentré en service en ce mois de mai 2025 et est pleinement opérationnel, prêt à accueillir les premiers projets qu’on lui confiera. Physique fondamentale, expérimentations sur les plasmas, applications biomédicales ; cet outil est aussi une plateforme de travail offerte à la communauté scientifique. Il appartient désormais à celle-ci d’en faire bon usage… et de faire parler la foudre !
- Un nouveau laser ultrapuissant (ZEUS), développé à l’Université du Michigan, a tiré pour la première fois avec une intensité record.
- Son fonctionnement repose sur un phénomène d’accélération d’électrons dans un plasma, une méthode prometteuse pour miniaturiser les accélérateurs de particules.
- L’outil est désormais ouvert à la recherche publique, avec des applications attendues en physique, astrophysique et imagerie médicale.
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