Résumé :
Ma thèse a consisté à spécifier les phénomènes physiques qui se produiront dans la lumière extrêmement intense issue de miroirs plasma relativistes, d’intensités comprises entre 1024 et 1029 W.cm-2, dans différentes configurations. Ces travaux s’inscrivent dans la continuité des progrès continus de l’intensité lumineuse accessible par lasers ultra-brefs de haute puissance, qui motivent la recherche de phénomènes relevant de l’électrodynamique quantique en champs forts, quasiment inobservés à présent. Si réaliser de telles expériences permettrait le test de théories fondamentales, établies ou spéculatives, ainsi que la génération de sources secondaires de particules remarquables, nombre d’entre elles requièrent des intensités supérieures à 1025 W.cm-2, hors de portée même des infrastructures de classe Pétawatt. Les miroirs plasma relativistes (MPR) étudiés par le groupe PHI offrent une alternative séduisante, permettant de réaliser les champs forts requis avec les technologies actuelles.
L’interaction de la lumière MRP avec le vide quantique du champ électron-positron a été étudiée via la diffusion photon-photon, dont nous calculons les signatures expérimentalement observables. De même, un seuil d’intensité est défini pour la conversion du champ électromagnétique MPR dans le vide en paires électron-positron par le processus de Schwinger. L’interaction avec de la matière préexistante a été envisagée sous deux formes: la focalisation du faisceau MPR sur une cible solide, ou la collision avec un faisceau d’électrons de 10 GeV. Dans le premier cas, une production exponentielle de particules a lieu par l’effet de « cascade QED », aboutissant à des faisceaux d’électron-positron relativistes de densité extrême (>1028cm-3) et de durée attoseconde. Dans le second cas, le champ électrique dans le référentiel du faisceau d’électrons atteint des valeurs telles que, selon la conjecture de Ritus-Narozhny, la notion même d’électrons, positrons et photons perd sa validité théorique, ouvrant une possible fenêtre empirique sur un régime d’interactions lumière-matière actuellement inconnu.
Mots-clés : Plasma quantique relativiste, Calcul parallèle exascale, Simulation PIC, Électrodynamique quantique en champs forts (EDQ), Laser de ultra-haute intensité.
Strong-field quantum electrodynamics in the extremely intense light of relativistic plasma mirrors
Abstract:
In the wake of steady progress in laser technology opening up to an ever wider range of physical configurations, a consistent research community developed around “ultra-high intensity” physics. During the last two decades, these works have uncovered a stable set of physical phenomena and applications, all essentially described by the classical mechanics of fields and particles at relativistic energies. The current situation is however likely to be a turning point, for radically different physical phenomena are expected in last-generation facilities, either planned or under construction, revealing the quantum aspect of particles and fields.
Relying on a scheme explicitly designed to foster the ongoing transition, the present thesis fully takes ground in such context. By generating pulses exceeding forecast laser intensities by two to six orders of magnitude, relativistic plasma mirrors could allow entering the quantum-dominated regime of strong-field Quantum Electrodynamics, with fundamental and instrumental implications. Our research was devoted to try and predict some of them explicitly.Remarkably, in the most favorable case the combination of wavelength shortening and pulse amplification in the « harmonics beams produced by relativistic plasma mirrors results in fields close to the Schwinger critical value, a landmark for the onset of coherent field decay into electron-positron pairs. This entails that quantum processes can occur in harmonics beams both in the presence of matter, or in a vacuum. In this thesis, we will be presenting the expectations derived from a closer study of these different scenarios. The self-interaction of light in a vacuum is studied first, assessing the potential of harmonics beams for a first empirical detection of this long-predicted effect. We will then display the transition from light self-interaction when no matter is there, to prolific pair creation as soon as one particle comes in. This process of pair creation occurs for different types of seed, a Schwinger pair, a dense target, copropagating electron bunches. All three cases were studied and their evolution towards a final state numerically simulated, reveling the possibility to create relativistic quantum electron-positron plasmas with exotic properties, or enter the Ritus-Narozhny regime for the first time, allowing to empirically test strong-field Quantum Electrodynamics even beyond its established theoretical framework.
Keywords: Relativistic quantum plasma, Exascale computing, PIC simulation, Strong-field quantum electrodynamics (QED), Ultra-intense laser.
LIDYL/PHI