Abstract:
The context of this doctoral research is part of the study of ultra-high-intensity light-matter interactions. One of the major current challenges is accessing the strong-field quantum electrodynamics (SF-QED) regime, which occurs when the electric field reaches the order of magnitude of the Schwinger critical field, E = 1.32e¹⁸ V/m, corresponding to intensities on the order of 1e²⁹ W/cm2. Close to this limit, the quantum vacuum becomes unstable, and an intense laser field can spontaneously produce matter-antimatter particle pairs.
In this context, the quantum parameter chi is defined as a measure of the electromagnetic field experienced by a charged particle in its rest frame, expressed in units of the Schwinger field. The SF-QED regime is reached when χ > 1. To date, SF-QED remains largely unexplored experimentally, mainly because the required field strengths are several orders of magnitude higher than those delivered by the most intense sources available on Earth : ultra-high intensity lasers.
However, a new paradigm makes it possible to push these limits further: the amplification of high-power lasers using plasma mirrors. Indeed, the reflection of a laser pulse from a plasma mirror enables the spatio-temporal compression of the reflected laser pulse, thereby producing extremely intense XUV laser pulses. Two experimental schemes have recently emerged to efficiently exploit this technological breakthrough. The first involves a solid target, whereas the second relies on the interaction with a charged partcile beam accelerated to relativistic velocities.
This thesis thoroughly investigates, through numerical simulations, these two configurations under realistic and experimentally accessible conditions. The first configuration, known as the “L-shaped target” scheme, makes it possible to reach the SF-QED regime using a single laser. In this setup, focusing the XUV beam onto a solid target leads to the creation of very dense electron-positron pair plasmas and extremely intense gamma flashes of astrophysical interest. The second configuration allows much higher χ parameters to be reached. It leads to the production of ultra-relativistic electron-positron pair jets and highly collimated gamma flashes. This configuration is free from parasitic plasma effects and will be particularly well suited for validating QED theory at very high χ, in a regime that remains textit{terra-incognita} from both the experimental and theoretical perspectives: the fully non-perturbative QED regime.
Keywords: Ultra-Intense laser, Doppler boosted beam, PIC simulation, Plasma, Light-Mater interaction, Strong field electrodynamics.
Utilisation de faisceaux laser amplifiés par miroir plasma pour sonder le régime d’électrodynamique quantique en champ fort
Résumé :
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans l’étude des interactions laser-matière à ultra-haute intensité. L’un des enjeux majeurs actuels est l’accès au régime des champs forts de l’électrodynamique quantique (SF-QED), qui survient lorsque le champ électrique devient de l’ordre du champ critique de Schwinger E = 1.32 e¹⁸ V/m, correspondant à des intensités de l’ordre de 1e²⁹ W/cm2. Proche de cette limite, le vide quantique devient instable et un champ laser intense peut produire spontanément des paires de particules de matière-antimatière spontanément.
Dans ce contexte, on définit le paramètre quantique chi qui mesure le champ électromagnétique perçu par une particule chargée dans son référentiel propre en unités du champ de Schwinger. Le régime SF-QED survient lorsque χ > 1. À ce jour, la SF-QED demeure largement inexplorée expérimentalement, principalement en raison des champs requis qui sont de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux fournis par les sources les plus intenses sur Terre : les lasers à ultra-haute intensité.
Un nouveau paradigme permet toutefois de repousser ces limites: l’amplification d’un laser de puissance par miroir plasma. La réflexion d’un laser sur un miroir plasma permet en effet de comprimer spatio-temporellement l’impulsion laser réfléchie afin de produire des impulsions laser XUV d’intensité extrême. Deux schémas expérimentaux ont récemment émergé afin d’exploiter efficacement cette avancée technologique. Le premier met en jeu une cible solide, tandis que le second repose sur l’interaction avec un faisceau de charges accélérées à des vitesses relativistes.
Cette thèse explore de manière approfondie, par simulation numérique, ces deux configurations dans des conditions réalistes et accessibles expérimentalement. La première configuration, dite de « la cible en L » , permet d’atteindre le régime SF-QED à l’aide d’un seul laser. Dans ce schéma, la focalisation du faisceau X-UV sur une cible solide mène à la création de plasmas de paires électrons-positrons très denses et de flashs gamma très intenses d’intérêt astrophysique. La seconde configuration permet d’atteindre des paramètres χ beaucoup plus élevés. Elle donne lieu à la production de jets de paires électrons/positrons ultra-relativistes et de flashs gamma très collimatés. Cette configuration s’affranchit d’effets plasma parasites et sera particulièrement adaptée pour la validation de la théorie QED à très haut χ, dans un régime encore terra incognita, d’un point de vue expérimental et théorique: le régime totalement non-perturbatif de la QED.
Mots-clés : Laser ultra-Intense, Faisceau boosté par effet Doppler, Simulation PIC, Plasma, Interaction laser-Matière, Électrodynamique quantique en champ fort.
Directeur de thèse : Pascal Monot
Co-encadrant de thèse : Henri Vincenti