Création de paires en lumière extrême‎ : application aux faisceaux lasers à vortex

Depuis l’invention de la technique de Chirped Pulse Amplification, les intensités lasers atteignables n’ont cessé d’augmenter. Les futures installations devraient produire des puissances de plusieurs PW sur des tâches focales de quelques microns. Quand des particules interagissent avec ces champs extrêmes, des effets non-linéaires de nature quantique, décrits par l’électrodynamique quantique en champs forts (SFQED), peuvent devenir dominants. Parmi les prédictions de cette théorie, deux phénomènes on particulièrement attiré l’attention de la communauté ces dernières années. Le premier, la diffusion Compton non-linéaire, est l’émission d’un photon gamma de haute énergie (d’une centaine de MeV à des dizaines de GeV) par une charge interagissant avec le champ fort. Le second est le processus Breit-Wheeler non-linéaire (NBW), qui est la conversion d’un photon gamma de haute énergie en une paire électron positrons, lors de l’interaction avec un électromagnétique champ fort.Grâces à ces processus, les installations multi-PW ouvrent la voie vers une production de paires électrons-positrons abondante en laboratoires. L’objectif ultime, bien qu’inaccessible dans les installations actuelles, est la création d’un plasma de paires électron-positron. Ce genre de plasma est intéressant fondamentalement pour ces propriétés exotiques, mais aussi car il est présent dans des environnements astrophysiques. Le thème de cette thèse est l’optimisation de la production de paires dans les lasers ultra intenses. Pour cela deux configurations physiques prometteuses ont été étudiées. La première, appelée shower, est la collision frontale d’une impulsion laser haute intensité avec un flash de photons gamma de haute énergie. Un modèle semi-analytique a été développé pour cette configuration, prenant en compte la structure spatio-temporelle de l’impulsion laser, et permettant de prédire rapidement le nombre de paires produites. Ce modèle est en excellent accord avec des simulations Particle-in-cell (PIC) en trois dimensions réalisées avec le code SMILEI. Une étude systématique avec différentes configurations d’impulsions a été réalisée, en fixant l’énergie totale de l’impulsion pour se rapprocher des conditions expérimentales. Dans cette analyse, des faisceaux Laguerre-Gauss (LG), ou faisceaux à vortex, ont été étudiés en raison de leurs propriétés intéressantes, comme leur distribution d’identité en forme d’anneau ou le fait qu’ils transportent un moment angulaire orbital. Cette étude a permis d’identifier la focalisation optimale pour la création de paires, qui selon l’énergie totale disponible n’est pas nécessairement la focalisation maximale. Ce travail dispense aussi des conseils généraux pour les futures expériences. La seconde configuration étudiée est formée de deux faisceaux laser contre-propagatifs, avec des électrons placés initialement au plan focal. Dans ce cas une croissance exponentielle du nombre de paires (avalanche) peut-être obtenue, car les charges sont constamment réaccélérées et rayonnent des photons gamma, par la suite convertis en paires. Le présent travail réévalue les conditions de démarrage de la cascade dans une géométrie 3D réaliste pour les impulsions lasers, et étend l’étude aux faisceaux LG. Il est présenté une analyse semi-analytique de la dynamiques des particules sur les temps courts (petits comparés à la période laser) dans cette configurations de faisceaux contre-propagatifs. Il est montré qu’il y a de grandes différences qualitatives dans le déclenchement de l’avalanche suivant la configuration des champs. Le taux de croissance des paires obtenu de simulations PIC 3D confirme ces différences. De plus il est montré qu’à amplitudes maximum égales, les LG on un plus haut taux de croissances que les faisceaux gaussiens. L’analyse de la dynamique aux temps courts permet de proposer un nouveau modèle pour prédire le taux de croissance dans un cas idéal, avec le potentiel d’être étendu à des cas plus réalistes.Since the invention of the Chirped Pulse Amplification technique, achievable laser intensities never stopped increasing. The upcoming facilities are expected to deliver several PW peak power on a focal spot of a few microns diameter. When particles interact with those extreme electromagnetic fields, nonlinear effects of a quantum nature can be dominant, described by the so-called strong-field quantum electrodynamics (SFQED). Among the prediction of SFQED two phenomena in particular attracted the interest of the community over the last decade. The first one, the nonlinear Compton scattering process, is the emission of a high energy gamma photon (from a hundred of MeV to tens of GeV) by an electron or a positron interacting with a strong background field. The second one is the nonlinear Breit-Wheeler (NBW) process, that consists in the creation of an electron-positron pair from the conversion of a high energy gamma photon interacting with the strong electromagnetic field. Thanks to this processes, multi-PW laser facilities open the way to prolific electron-positron pair production in the laboratory. The ultimate goal, although not yet achievable in current facilities, is the creation of an electron-positron pair plasma in the laboratory. This kind of plasma is of interest from a fundamental point of view for its exotic properties, but also because it is present in the astrophysical environment. The common thread in this thesis is the optimisation of pair creation in ultra intense lasers, for which two promising physical configurations achievable in the future were studied. The first one, in the so-called shower-regime, involves the head-on collision of a high intensity laser pulse with a flash of high energy gamma photons. A semi-analytical model was developed for this configuration that takes fully into account the laser pulse spatio-temporal distribution and allows to predict quickly the amount of produced pairs. The model prediction was in excellent agreement with three dimensional Particle-in-cell (PIC) simulations performed with the code SMILEI. A systematic study for different laser pulse configurations was performed, by considering a fixed total pulse energy, to match experimental conditions. In this study Laguerre-Gauss (LG) beams, or vortex beams, were also considered because of their interesting properties, such as a ring shape transverse intensity distribution, and the fact that they carry orbital angular momentum. The study allowed to identify the optimal focalisation in order to maximise pair production that, depending on the total energy available, is not necessarily the tightest focus. General guidelines for upcoming experiments were also provided. The second configuration studied involves two counter streaming laser beams, with seeding electrons in the focal plane. With this set-up an exponential growth (avalanche) of the pairs’ number can be obtained, as charges are constantly reaccelerated and emit gamma photons, further converted into pairs. The present work re-examined the conditions for the inset of the avalanche in a realistic 3D geometry for the laser pulse, and extended the study to LG beams. We studied semi-analytically the short time (less than a laser period) particle dynamics in the counter streaming lasers and showed that there are large qualitative differences in the onset of the cascade depending on the field configuration. The growth rate of pair production was derived from 3D PIC simulations and confirmed the qualitative differences. Moreover we showed that -at the same peak intensity- LG beams can have larger growth rates than Gaussian beams. The analysis of the short time particle dynamics allowed to propose a new model to predict the growth rate of the avalanche for an idealised configuration, with the perspective of an extension to a more realistic 3D counter-streaming beams configuration