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

Gamma-ray production in laser-matter interaction and electron-positron pair creation by photon-photon collisions.

• Auteur / Autrice : Léo Esnault
• Direction : Xavier Ribeyre, Emmanuel d' Humières
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 17/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Fazia Hannachi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Ribeyre, Caterina Riconda, Fabien Quéré, Thomas Grismayer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caterina Riconda, Fabien Quéré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodynamique quantique

Rayonnement de freinage

Interactions photon-photon

Mots clés libres

Photon gamma

Interaction laser-Plasma

Physique des particules

Nano-Fils

Bremsstrahlung

Électrodynamique quantique

Gamma photon

Laser-Plasma interaction

Particle physics

Nano-Wires

Bremsstrahlung

Quantum electrodynamics

Résumé

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.

Electron-positron pair creation by the mean of two real photon collision (linear Breit-Wheeler process) is one of the most basic quantum electrodynamics process, and is believed to underlie a large amount of high energy astrophysical phenomena, such as the Universe opacity to TeV photons or the production of pair plasmas near compact objects (AGN, pulsars). However, this process has never been directly observed in the laboratory since its prediction in 1934, mainly because of the absence of high flux MeV-range photon sources. Due to the continuous development of high-power and high-intensity laser systems, the production of such photon sources become however conceivable. Despite the diversity of methods to produce energetic photons by lasers, previous estimates seems to show that the radiation sources produced whether by the slowing-down of electrons in matter (Bremsstrahlung), by the linear inverse Compton scattering process, or by the multi-photon inverse Compton scattering process (sometimes called synchrotron-like) are among the most credible sources for the electron-positron pair production by two real photon collisions. The interaction of such multi-MeV photons with matter could however creates other electron-positron pairs, which could constitute a background noise for the detection of this process. The goal of this thesis is to optimize the production of MeV-range gamma photons by the mean of the interaction of a laser with various kind of targets (simple or structured solid targets) in order to prepare photon-photon collision experiments on existing or currently building laser systems. A semi-analytical model allow firstly to optimize linear Breit-Wheeler pair production in term of the photons sources parameters. Particularly it is shown that, concerning Bremsstrahlung photon sources, the current laser systems already permit to reach the optimum photon energy distributions, opening the possibility to design such experiments at high repetition rate. This study is completed with numerical simulations modeling the electron acceleration in the laser-target interaction (via a Particle-In-Cell code), the gamma photon generation by the electron propagation in matter (via a Monte Carlo code) and the electron-positron pair production in photon-photon collisions (via the TrILEns code). These findings could then be used as a basis to design such experiments on existing or currently building laser systems.