Description

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L’accélération par sillage laser plasma (Laser Wakefield Acceleration, LWFA) d’électrons [1] est un mécanisme basé sur le couplage non linéaire entre des impulsions laser de haute intensité et un plasma, capable de générer des champs accélérateurs extrêmement intenses pour la production de faisceaux d’électrons relativistes sur de courtes distances. Ce mécanisme physique présente un grand intérêt pour un large éventail d’applications, notamment le développement de nouvelles technologies pour les accélérateurs de particules [2, 3].

En particulier, le développement d’accélérateurs d’électrons de haute énergie basés sur la LWFA nécessite de maintenir l’accélération des électrons sur de longues distances, bien au-delà de la longueur de diffraction de l’impulsion laser pilote. Pour atteindre cet objectif, l’impulsion laser doit être guidée ; de manière analogue aux guides d’ondes utilisés pour les lasers de faible intensité, comme les fibres optiques, l’indice de réfraction du plasma peut être mis en forme afin de guider des impulsions laser intenses.

Pour relever ce défi, les canaux plasma issus de l’ionisation par champ électrique du laser se sont révélés être une voie prometteuse [4], qui doit être approfondie. L’objectif du travail proposé est d’explorer de nouvelles approches pour guider des impulsions laser intenses sur de longues distances, afin de fournir des solutions permettant d’accélérer des électrons à haute énergie (au-delà de 1 GeV), pouvant être utilisées à de plus hautes énergies.

Cette étape est cruciale pour plusieurs projets internationaux tels que EuPRAXIA [2] et ALEGRO [3], dans lesquels l’équipe ITFIP du LPGP est fortement impliquée.
Dans le cadre du projet de thèse proposé, mené en collaboration entre le LPGP et le CELIA, le doctorant développera des stratégies numériques pour modéliser la formation de canaux de plasma par ionisation optique ainsi que l’évolution suivie par l'évolution hydrodynamique du plasma. Le candidat intégrera la mise en œuvre de modèles physiques simulant différentes échelles caractéristiques, en s’appuyant sur des modèles et des codes numériques issus de la littérature existante et développés au cours du projet de thèse.

Les outils et processus de modélisation développés seront essentiels pour concevoir de futures expériences utilisant des canaux de plasma pour la LWFA d’électrons sur de longues distances, vers des énergies dépassant le GeV. Selon les intérêts du doctorant, des contributions aux travaux de l’équipe expérimentale seront également possibles.

Compétences requises

FR Nous recherchons une personne très motivée pour apporter une contribution significative au domaine de l’accélération par sillage laser plasma (Laser Wakefield Acceleration). Le profil recherché comprend : - Un diplôme de Master 2 en physique, ingénierie ou mathématiques appliquées ; - Un fort intérêt pour la modélisation physique appliquée; - Une solide compréhension de l’électromagnétisme, de la dynamique relativiste classique et de l’optique; - De bonnes connaissances en physique des plasmas; - Une maîtrise du langage Python et des notions de base en LaTeX; - Des connaissances de base des méthodes numériques pour la résolution d’équations différentielles (par exemple : différences finies, volumes finis, éléments finis, méthodes spectrales); - Au moins une expérience dans le développement d’un solveur numérique pour une équation différentielle ou dans la mise en place d’un diagnostic pour un programme de simulation numérique; - Une très bonne maîtrise de l’anglais écrit et oral, permettant de comprendre la littérature scientifique, de présenter des résultats lors de conférences internationales et de rédiger des publications (une expérience préalable n’est pas requise); - De la rigueur, une aptitude analytique développée, une habitude de la réflexion critique, de la résolution de problèmes et de la gestion efficace du temps; - La capacité ou la volonté de travailler efficacement en équipe et avec des collaborateurs/collaboratrices aux profils variés; - La capacité à expliquer et à synthétiser des concepts et des résultats pour des personnes issues de disciplines diverses. Les compétences et expériences suivantes seront considérées comme des atouts : - Des connaissances de base en accélération par sillage laser plasma; - Des connaissances de base sur la dynamique des faisceaux de particules chargées et la physique des accélérateurs (concepts d’émittance, de charge d’espace, d’équations d’enveloppe pour un faisceau d’électrons); - Une expérience dans l’utilisation ou le développement d’un code de type Particle-in-Cell (PIC); - Une expérience dans l’interfaçage entre différents codes de simulation; - Une expérience avec des logiciels de gestion de versions et de développement collaboratif tels que GitHub, GitLab ou Mercurial.

Bibliographie

[1] E. Esarey et al., Rev. Mod. Phys. 81, 1229 (2009).https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.81.1229

[2] EuPRAXIA project website https://www.eupraxia-project.eu

[3] S. Gessner et al., Design Initiative for a 10 TeV pCM Wakefield Collider – a community driven approach(CERN seminar, 2024).https://indico.cern.ch/event/1450406/attachments/2922848/5130325/The_10TeV_WFA_Study_CERN_ATS_seminar.pdf

[4] A. Picksley, Phys. Rev. Lett. 133, 55001 (2024).https://arxiv.org/abs/2408.007402

[5] T. L. Steyn et al., invited presentation for the 7th EAAC (2025), https://agenda.infn.it/event/46259/contributions/273333/attachments/140160/211569/Steyn_EAAC7_Post_Acceleration_Beam.pdf

[6] I. Moulanier et al., Modeling of the driver transverse profile for laser wakefield electron acceleration at APOLLON research facility, Phys. Plasmas 30, 053109 (2023), https://arxiv.org/abs/2305.02275

[7] L. T. Dickson et al., Mechanisms to control laser-plasma coupling in laser wakefield electron acceleration, Phys. Rev. Accel. Beams 25, 101301 (2022), https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.25.101301

[8] C. K. Birdsall and A. B. Langdon, Plasma Physics via Computer Simulation (Taylor and Francis Group, 2004).

[9] J. Derouillat et al., SMILEI: a collaborative, open-source, multi-purpose particle-in-cell code for plasma simulation, Comput. Phys. Commun. 222, 351-373 (2018), https://arxiv.org/abs/1702.05128

[10] Smilei documentation: https://smileipic.github.io/Smilei/index.html ; Smilei lauréat du Prix science ouverte du logiciel libre 2023 catégorie scientifique et technique par le Ministère de l’Enseignement et de la Recherche : https://www.enseignementsup-recherche.gouv.fr/fr/remise-des-prix-science-ouverte-du-logiciel-libre-de-la-recherche-2023-93732

Mots clés

Accélération par sillage laser-plasma, Optique non linéaire, Interaction laser plasma non linéaire, Evolution hydrodynamique du plasma, Modélisation numérique