DRF : Sujet de thèse SL-DRF-21-0460

Le défi majeur de la physique des champs forts ou physique des Ultra-Haute Intensité (UHI) est aujourd’hui de produire une source de lumière capable d’explorer de nouveaux régimes d’électrodynamique quantique en champs forts (SF-QED) encore inexplorés des grands accélérateurs. L'exemple le plus célèbre survient à des intensités proches de 10^29 W/cm^2 (la fameuse limite de Schwinger), autour de laquelle le vide devient instable et des paires e-/e+ peuvent être créées à même le vide. En réalité, dès 10^25 W/cm^2 la dynamique de l'interaction entre la lumière et la matière devient déjà totalement dominée par des processus SF-QED. De tels régimes ne se produisent que dans les phénomènes astrophysiques les plus violents et pourraient révéler une nouvelle physique, au-delà du modèle standard (comme la présence d'Axions ou de fermions millichargés). Pouvoir les reproduire et les contrôler en laboratoire revêt donc un intérêt fondamental immense.

Toutefois, à l’heure actuelle, les sources lumineuses les plus puissantes sur terre (lasers de puissance PetaWatt -PW) ne permettent de délivrer que des intensités proches de 10^22 W.cm^-2. Atteindre la limite de Schwinger demande donc un changement de paradigme que nous venons de proposer dans le groupe Physique à Haute Intensité (PHI) du CEA. Notre solution consiste à utiliser un composant optique remarquable, auto-généré par le laser de puissance focalisé sur une cible solide, appelé ’miroir plasma relativiste courbé optiquement’. Au cours de la réflexion sur un tel miroir courbé, le champ réfléchi subit une forte intensification par compression temporelle Doppler et par focalisation sur des tailles de tâche plus petites que celles possible avec le champ incident. Le groupe PHI a récemment proposé d’utiliser la déformation du miroir plasma sous l’effet de la pression de radiation du faisceau laser incident pour focaliser fortement le champ réfléchi. Des simulations 3D préliminaires ont montré que ce schéma permettrait d’atteindre des intensités proches de 10^25 W/cm^2, à partir desquels des effets de SF-QED encore inexplorés se manifestent lors de l’interaction du faisceau réfléchi avec de la matière. Ceci constitue un premier jalon vers la limite de Schwinger.

A présent, le challenge principal à relever pour pouvoir atteindre la limite de Schwinger est de développer de nouveaux schémas réalistes pour courber beaucoup plus fortement la surface du miroir plasma. Dans ce contexte, le candidat devra développer et valider numériquement ces nouveaux schémas à l’aide de codes cinétiques de type Particle-In-Cell (PIC) 3D. Les simulations envisagées étant extrêmement coûteuses en temps de calcul du fait des grandes gammes d’échelles spatio-temporelles simulées, il devra dans un premier temps développer et benchmarker une technique de raffinement de maillage adaptatif proposée par le groupe du Dr. J-L Vay au Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), dans lequel se déroulera la première phase de cette thèse. Au cours de la deuxième phase (au CEA), le candidat exploitera ce code pour répondre aux questions suivantes: quels sont les paramètres laser-plasma permettant d’atteindre la limite de Schwinger pour chaque schéma de focalisation envisagé? A partir de quelle intensité produit-on des paires Schwinger avec le champ réfléchi? Quelles sont les caractéristiques de ces paires? Peut-on les détecter de manière claire dans les expériences? De manière plus générale, comment obtenir des signatures claires des intensités atteintes au foyer du miroir plasma ? Le candidat devra également participer à l’interprétation des premières expériences de QED réalisées à l’aide de tels miroirs plasmas au cours de la thèse.

High-Performance scientific computing, Applied Mathematics, Fundamental physics, Plasma physics, Lasers,