Accélération de particules dans une collision de plasmas produits par laser

Particle acceleration in colliding laser-produced plasmas

• Auteur / Autrice : Julien Guyot
• Direction : Andrea Ciardi, Philippe Savoini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Rezeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul-Quentin Elias, Julien Fuchs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Marcowith, Mark Sherlock

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétohydrodynamique

Plasmas produits par laser

Collisions (astrophysique)

Accélérateurs de particules

Mots clés libres

Astrophysique de laboratoire à haute densité d'énergie

Accélération de particules

Plasmas magnétisés

Simulation magnétohydrodynamique

Méthodes MHD-PIC

High-energy-density laboratory astrophysics

Particle acceleration

Magnetized plasmas

Magnetohydrodynamic simulations

Résumé

Les particules chargées énergétiques sont omniprésentes dans l'Univers et sont accélérées par des sources galactiques et extragalactiques. Comprendre l'origine de ces "rayons cosmiques" est crucial en astrophysique et dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire à haute densité d'énergie, nous avons développé une nouvelle plate-forme sur les installations laser LULI pour étudier l'accélération de particules. Dans les expériences, la collision de deux plasmas contre-propageant produits par laser génère une distribution non thermique de particules allant jusqu'à 1 MeV d'énergie. L'objectif de ce travail est de fournir un cadre théorique pour comprendre leur origine. Des simulations magnéto-hydrodynamiques avec des particules tests montrent que la collision des plasmas conduit à la croissance de structures caractéristiques de l'instabilité de Rayleigh-Taylor magnétique et à la génération de forts champs électriques. Nous constatons que les particules sont accélérées à des énergies allant jusqu'à quelques centaines de keV en moins de 20 ns, par des interactions répétées avec les perturbations de Rayleigh-Taylor. Les simulations et un modèle d'accélération stochastique reproduisent bien le spectre expérimental. En conclusion, nous avons identifié en laboratoire un nouveau mécanisme d'accélération de particules qui repose sur la croissance de l'instabilité de Rayleigh-Taylor magnétique pour accélérer de manière stochastique les particules. Cette instabilité est fréquente dans les plasmas astrophysiques, avec par exemple les restes de supernovæ et les éjections de masse coronale, et nous suggérons qu'elle peut contribuer à l'accélération de particules dans ces systèmes.

Energetic charged particles are ubiquitous in the Universe and are accelerated by galactic and extragalactic sources. Understanding the origin of these "cosmic rays" is crucial in astrophysics and within the framework of high-energy-density laboratory astrophysics we have developed a novel platform on the LULI laser facilities to study particle acceleration in the laboratory. In the experiments, the collision of two laser-produced counter-propagating plasmas generates a distribution of non-thermal particles with energies up to 1 MeV. The aim of this work is to provide a theoretical framework to understand their origin. Magneto-hydrodynamic simulations with test particles show that the plasma collision leads to the growth of bubble and spike structures driven by the magnetic Rayleigh-Taylor instability and the generation of strong electric fields. We find that particles are accelerated to energies up to a few hundred of keV in less than 20 ns, by repeated interactions with these growing magnetic Rayleigh-Taylor perturbations. The simulations and a stochastic acceleration model recover very well the experimentally measured non-thermal energy spectrum. In conclusion, we have identified in the laboratory a new particle acceleration mechanism that relies on the growth of the magnetic Rayleigh-Taylor instability to stochastically energize particles. This instability is very common in astrophysical plasmas, with examples including supernovae remnants and coronal mass ejections, and we suggest that it may contribute to the energization of particles in these systems.