Production de photons gamma lors de l'interaction laser-matière et création de paires électron-positron par collision de photons.

Abstract

La création de paires électron-positron par collision de deux photons réels (processus Breit-Wheeler linéaire) est un des processus de base de l’électrodynamique quantique, et est supposé sous-tendre un large éventail de phénomènes astrophysiques des hautes énergies, tels que l’opacité de l’Univers aux photons TeV ou la production de plasmas de paires au voisinage d’objets compacts (AGN, pulsars). Cependant, ce processus n’a jusqu’à présent jamais été directement observé en laboratoire depuis sa prédiction en 1934, et ce principalement à cause de l’absence de sources de photons d’énergie autour du MeV de suffisamment haut flux. Grâce au développement continu des systèmes laser de haute puissance et de haute intensité, la production de telles sources de photons devient toutefois désormais envisageable. Malgré la diversité des approches possibles pour la génération de photons énergétiques par laser, de précédentes estimations semblent indiquer que les sources produites : par rayonnement de freinage d’électrons dans la matière (Bremsstrahlung), ou via les processus Compton inverse linéaire ou Compton inverse multiphoton (parfois appelé synchrotron-like), soient des candidates parmi les plus crédibles pour la production de paires électron-positron par collision de deux photons réels. L’interaction de ces photons multi-MeV avec de la matière peut toutefois aussi créer d’autres paires électronpositrons, qui pourraient constituer une source de bruit pour la détection de ce processus. L’objectif de cette thèse est d’optimiser la production de photons d’énergies autour du MeV générés lors de l’interaction d’un laser avec différent types de cibles (cibles solides simples ou structurées) afin de préparer des expériences de collision de photons sur des installations laser existantes ou en cours de construction. Un modèle semi-analytique permet tout d’abord d’optimiser la production de paires électron-positron par le processus Breit- Wheeler linéaire en fonction des paramètres des sources de photons. En particulier il est montré que, pour des sources de photons produits par Bremsstrahlung, les installations laser existantes permettent d’ores et déjà d’atteindre les distributions en énergies optimales, permettant ainsi d’envisager de telles expériences à haut taux de répétition. Cette étude est complétée par des simulations numériques permettant de modéliser l’accélération d’électrons lors de l’interaction du laser avec des cibles structurées (via un code Particle-In-Cell), la génération des photons gamma lors de la propagation d’électrons dans la matière (via un code Monte Carlo) ainsi que la création de paires électron-positron lors de la collision de ces photons gamma (via le code TrILEns). Ces développements pourraient alors servir de base à la préparation de futures expériences sur des installations laser actuelles.