Électrodynamique quantique en champs forts dans la lumière extrêmement intense de miroirs plasma relativistes

Strong-field Quantum Electrodynamics in the extremely intense light of relativistic plasma mirrors

• Auteur / Autrice : Antonin Sainte-Marie
• Direction : Henri Vincenti, François Gelis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interactions, dynamiques et lasers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Grismayer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antonino Di Piazza, Arkady Gonoskov, Jean-Marcel Rax
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Grismayer, Antonino Di Piazza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers de puissance

Méthodes particulaires (analyse numérique)

Électrodynamique quantique

Maxwell, Équations de -- Solutions numériques

Calcul intensif (informatique)

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Plasma quantique relativiste

Calcul parallèle exascale

Simulation PIC

Électrodynamique quantique en champs forts (EDQ)

Laser de ultra-haute intensité

Relativistic quantum plasma

Exascale computing

PIC simulation

Strong-field quantum electrodynamics (QED)

Ultra-intense laser

Résumé

Dans le sillage de progrès constants de la technologie laser ouvrant à une variété toujours croissante de configurations physiques, une communauté de recherche autonome s'est développée autour de la physique des ultra-hautes intensités. Au cours des deux dernières décennies, ces travaux ont couvert un ensemble stable de phénomènes physiques et d'applications associées, toutes essentiellement décrites par la mécanique classique relativiste des particules et des champs. La situation actuelle se trouve cependant certainement être un moment seuil, puisque des phénomènes radicalement nouveaux sont attendus dans les infrastructures de dernière génération, prévues ou en construction, révélant l'aspect quantique des particules et des champs.Reposant sur une méthode explicitement vouée à accélérer cette transition en cours, la présente thèse s'inscrit pleinement dans un tel contexte. En générant des impulsions excédant les plus hautes intensités conventionnellement envisagées de deux à six ordres de grandeur, les miroirs plasma pourraient permettre d'accéder au régime quantique profond de l'Électrodynamique Quantique en champs forts, avec des implication fondamentales comme instrumentales. Notre travail de recherche a consisté à prédire certaines d'entre elles explicitement.De manière remarquable, dans les cas les plus favorables la conjonction de la compression de la longueur d'onde et de l'amplification de l'impulsion des « faisceaux harmoniques » générés par les miroirs plasma relativistes produit des champs proches de la valeur critique de Schwinger, seuil de la conversion spontanée d'un champ cohérent en paire électron-positron. Cela implique que des processus quantiques peuvent survenir au sein de ces faisceaux harmoniques en présence de matière, ou dans le vide. Dans cette thèse, nous présentons les prédictions issues d'une étude poussée de ces différents scénarios. L'auto-interaction de la lumière dans le vide est exposée la première, de manière à établir le potentiel des faisceaux harmoniques pour une première détection expérimentale de cet effet prédit de longue date. La transition de la diffusion de la lumière par la lumière en l'absence de matière, à la création de paires prolifique dès qu'une particule intervient est détaillée ensuite. Ce processus de création de paires se produit différemment selon la particule initiale, une paire issue de l'effet Schwinger, une cible de matière dense, un faisceau d'électrons. Ces trois cas ont été étudiés, et leur évolution vers un état final simulée numériquement, révélant la possibilité de créer un plasma d'électrons-positrons relativiste et quantique aux propriétés exotiques, ou d'atteindre le régime de Ritus-Narozhny pour la première fois, permettant une observation empirique l'électrodynamique quantique des champs forts au-delà même des limites de son cadre théorique établi.

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.